Tema 8: Temperatura y Principio Cero Índice: Tema 8: Temperatura

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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
Fátima Masot Conde
Ing. Industrial 2007/08
Fátima Masot Conde
Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
Índice:
1. Introducción.
2. Temperatura y Ley Cero.
3. Termómetros y escalas.
4. Termómetro de gas a volumen constante.
5. Escala Kelvin.
6. Dilatación térmica de sólidos y líquidos.
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Introducción
¿Qué es la temperatura?
Tenemos
Tenemos la
la sensación
sensación intuitiva
intuitiva
(a
(a veces
veces engañosa)
engañosa) de
de que
que algo
algo
está
está “frío”
“frío” oo “caliente”
“caliente”
Ejemplo:
Ejemplo: Nos
Nos parece
parece que
que lala alfombra
alfombra
está
más
caliente
que
el
suelo.
¿Por
está más caliente que el suelo. ¿Por qué?
qué?
Necesitamos
Necesitamos algo
algo más
más objetivo
objetivo
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Temperatura y Ley Cero
Este
Este ingrediente
ingrediente "objetivo"
"objetivo" lo
lo sacamos
sacamos de
de una
una
observación
observación común:
común:
Dos
Dos objetos
objetos aa distintas
distintas temperaturas
temperaturas puestos
puestos en
en
contacto
contacto alcanzan
alcanzan una
una temperatura
temperatura intermedia
intermedia común.
común.
•Los
•Los objetos
objetos en
en contacto
contacto térmico
térmico intercambian
intercambian
energía
energía (uno
(uno la
la pierde,
pierde, otro
otro la
la gana)
gana)
•Y
•Y se
se alcanza
alcanza elel equilibrio
equilibrio térmico
térmico (llegan
(llegan aa la
la
misma
misma temperatura)
temperatura)
Fátima Masot Conde
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Temperatura y Ley Cero
Hemos
Hemos hablado
hablado de
de
definido
definido (concepto
(concepto
comparación).
comparación).
temperatura,
temperatura, yy aún
aún no
no la
la hemos
hemos
escurridizo,
escurridizo, al
al que
que llegamos
llegamos por
por
La asignamos
arbitrariamente
Establecemos
Establecemos la
la temperatura
temperatura de
de un
un
objeto
objeto yy aa todos
todos los
los que
que están
están en
en
equilibrio
equilibrio térmico
térmico con
con él.
él. Decimos
Decimos que
que
tienen
tienen la
la misma
misma temperatura.
temperatura.
A
A ese
ese objeto
objeto que
que nos
nos ayuda
ayuda aa establecer/medir
establecer/medir la
la
temperatura
temperatura de
de lo
lo demás
demás se
se lele llama
llama termómetro.
termómetro.
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Temperatura y Ley Cero
Equilibrio
Equilibrio
térmico
térmico
Ley
Ley Cero
Cero
Fátima Masot Conde
Situación
Situación aa lala que
que llegan
llegan los
los objetos
objetos en
en contacto
contacto
térmico
en
la
que
dejan
de
intercambiar
térmico en la que dejan de intercambiar energía.
energía.
Si
Si dos
dos objetos,
objetos, AA yy
B,
B, por
por separado,
separado,
están
en
están en equilibrio
equilibrio
térmico
con
térmico conC,
C,
entonces
entonces AA yy BB
están
están en
en equilibrio
equilibrio
térmico
entre
térmico entre sí.
sí.
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A
B
C
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Temperatura y Ley Cero
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Temperatura y Ley Cero
Podemos
Podemos definir
definir la
la temperatura
temperatura como
como la
la
propiedad
propiedad que
que comparten
comparten todos
todos los
los objetos
objetos
en
en equilibrio
equilibrio térmico
térmico
yy redefinir
redefinir elel equilibrio
equilibrio térmico
térmico
como
como elel estado
estado de
de igual
igual
temperatura.
temperatura.
El
El termómetro
termómetro es
es ese
ese objeto
objeto que
que nos
nos sirve
sirve
de
de patrón
patrón comparador.
comparador.
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Termómetros y escalas
La temperatura no es un
color que se pueda
observar, o un volumen
que se pueda medir,
¿Cómo
¿Cómo establecemos
establecemos ese
ese
patrón
patrón comparador?
comparador?
Se utilizan propiedades físicas que cambian
de forma conocida con la temperatura
(propiedad termométrica)
El ejemplo más corriente es el termómetro
de mercurio. La propiedad que se utiliza
es la dilatación del mercurio. El mercurio
encerrado en una columna de sección
conocida se dilata y su longitud se utiliza
para medir la temperatura.
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Termómetros y escalas
Otros ejemplos Termopila, termómetro de resistencia
Termómetro de
mercurio
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Termómetro de gas a
volumen constante
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Termómetro de
placa bimetálica
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
Para
Para su
su calibración:
calibración:
1) Se establece la escala termométrica: se
eligen dos puntos o entornos de
temperatura constante (p.e. fusión hielo,
vaporización de agua), y se les asignan
arbitrariamente las temperaturas superior e
inferior de la escala.
2)
Se pone
pone en
en contacto
contacto térmico
térmico elel termómetro
termómetro
2) Se
con
con ambos
ambos entornos.
entornos. La
La propiedad
propiedad
utilizada
(en
este
caso,
la
longitud
utilizada (en este caso, la longitud de
de lala
columna)
columna) variará,
variará, marcando
marcando los
los dos
dos
extremos
físicos
de
la
escala.
extremos físicos de la escala.
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
Por ejemplo: la escala Celsius asigna:
T = 0 oC
T = 100 oC
Asignación arbitraria de
valores de temperatura
al punto de hielo o
congelación normal del agua.
al punto de vapor o de ebullición
normal del agua.
Entornos de temperatura constante.
Con
Con esa
esa elección,
elección, está
está claro
claro que
que elel grado
grado centígrado
centígrado es
es lala
centésima
centésima parte
parte de
de lala escala
escala (propiedad
(propiedad lineal).
lineal).
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
3) se traza una "curva de
calibración", para obtener
(por interpolación o
extrapolación) la
temperatura de los estados
intermedios.
L
L100
Lt
L0
0
tC
o
100 tC ( C)
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tC =
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Lt − L0
× 100o
L100 − L0
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Termómetros y escalas
La escala Fahrenheit:
o
punto de hielo o de congelación
del agua.
tF = 32 F
o
tF = 212 F
punto de vapor o de ebullición
del agua.
Asignación arbitraria de
valores de temperatura
Entornos de temperatura constante
iguales que en Celsius.
9
tC + 32o F
5
9
∆tF = ∆tC
5
tF =
Relación entre ambas:
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Las
Las escalas
escalas obtenidas
obtenidas con
con los
los termómetros
termómetros
de
de líquidos
líquidos (Hg),
(Hg), dependen
dependen del
del líquido.
líquido.
a)
No
No definen
definen la
la temperatura
temperatura
de
de forma
forma absoluta
absoluta
b)
Los
Los termómetros
termómetros de
de gas,
gas, en
en cambio,
cambio, proporcionan
proporcionan
una
lectura
prácticamente
independiente
una lectura prácticamente independiente del
del gas.
gas.
Contenedor
de gas a
volumen
constante
Por
Por ejemplo,
ejemplo, elel termómetro
termómetro de
de gas
gas
aa volumen
volumen constante
constante (figs.
(figs. a,
a, b)
b)
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Funcionamiento:
• El volumen del gas siempre es el mismo
• La propiedad termométrica utilizada:
presión del gas
Aquí, la presión se lee
directamente
Mercurio
Nivel de cero
h
Contenedor
de gas a
volumen
constante
gas
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En esta versión, cuando el
contenedor de gas se
introduce en un entorno
caliente, el gas se expande
empujando al mercurio por
encima del nivel de cero.
Para que su volumen
permanezca constante a la
hora de hacer la medida, se
manipula el tubo de
mercurio manualmente para
reajustar el nivel. La presión
del gas viene dada por la
altura de la columna de
mercurio, según la relación:
P = P0 + ρ gh
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Calibrado:
Igual que el de mercurio: Se eligen dos entornos de
temperaturas constantes (ebullición y congelación de agua)
se le asignan dos temperaturas (0 y 100 en la escala
Celsius), y se miden las presiones correspondientes.
• La medida de la temperatura
viene dada en función de la
presión.
P100
Pt
P0
Fig 16.4
Serway
tC =
o
0
tC
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100
Pt − P0
× 100o
P100 − P0
tC ( C)
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Resultado asombroso:
En todos los casos, independientemente del gas utilizado, cuando la
presión se extrapola a cero (densidad del gas casi nula) todas las curvas
se cortan en la misma temperatura: -273.15 oC.
Esto sugiere que esta
1) temperatura tiene un
Mismo experimento,
carácter universal, (no
pero realizado con
Fig 16.5
depende de la sustancia
gases distintos
Serway
utilizada
en
el
termómetro)
Fig 16.4
Serway
2) Dado que P=0 es la
presión
más
baja
posible (vacío perfecto),
esa temperatura debe
o
o
representar un límite
0 C
100 C
o
inferior para todos los
tC ( C)
procesos físicos.
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Escala Kelvin
Esa temperatura
se
se define
define como
como "cero
"cero absoluto"
absoluto"
Sirve
Sirve de
de base
base para
para la
la escala
escala Kelvin
Kelvin (absoluta)
(absoluta) de
de temperatura
temperatura
tC = - 273.15 oC
T=0K
En esta escala, no se ha definido el
grado mediante un límite superior,
sino por identificación directa con la
Celsius:
o
1K ≡ 1C
grado de incremento
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Escala Kelvin
Conversión:
Conversión:
tC = T —273.15
Temp. Celsius
∆tC = ∆T
Temp. absoluta o
Kelvin
Única
Única diferencia:
diferencia: Desplazamiento
Desplazamiento del
del cero
cero entre
entre
ambas
ambas escalas
escalas
El
El cero
cero de
de lala escala
escala Celsius
Celsius es
es arbitrario
arbitrario (elegido
(elegido
como
congelación
del
agua)
como congelación del agua)
El
El cero
cero de
de lala escala
escala Kelvin
Kelvin es
es absoluto
absoluto (no
(no depende
depende
de
nada,
es
común
para
todas
las
sustancias)
de nada, es común para todas las sustancias)
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Escala Kelvin
Puntos termométricos
representativos
Celsius
Punto de ebullición del
agua
dificiles de reproducir
o
Kelvin
100 C
373.15 K
0 C
o
273.15 K
o
273.16 K
en el laboratorio
Punto de congelación del
agua
Punto triple del agua
0.01 C
(coexistencia de agua, vapor
y hielo en equilibrio)
o
-273.15 C
Cero absoluto
0K
Elegidos por el Comité Internacional de Pesas y Medidas
para definir la escala de Temperatura Absoluta
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Escala Kelvin
La recta de calibración de un termómetro de gas a vol. constante pasa
por el punto (0,0), cero absoluto de temperatura y presión. La
temperatura de cualquier otro punto se puede obtener, por simple
proporcionalidad, en función de otro punto de temperatura y presión
conocidas, por ejemplo, el punto triple:
Ptriple
T=
P
0
0
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T
Ttriple
Ttriple
Ptriple
P
T (K)
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Escala Kelvin
Con ello,
Grado kelvin=
1
de la temperatura
273.16 del punto triple
El
El cero
cero absoluto
absoluto es
es inalcanzable
inalcanzable
Fig 16.6
Serway
Según Física Clásica
Corrección Física Cuántica
EK |T =0 = 0
Temperaturas de algunos
procesos (escala logarítmica)
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EK |T =0 6= 0
Energía del
punto cero
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Los materiales se dilatan al aumentar
su temperatura (ésa es la propiedad
que hemos utilizado para fabricar
termómetros). Esto ocurre debido a
que los átomos vibran con mayor
amplitud y las distancias medias
intermoleculares aumentan.
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión
Expansión lineal
lineal
Si tenemos una varilla de longitud Lo a una
temperatura inicial To, que se somete a un cambio de
temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL:
ΔL = α L0 ΔT
*(aproximación lineal, para rangos de
temperatura limitados)
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Coef. de expansión lineal
−1
o −1
Unidades: K ó (C )
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Todas las dimensiones
lineales cambian según la
ecuación anterior: L puede
ser el espesor de una
varilla, la longitud de un
lado de una lámina o el
diámetro de un agujero.
Cuando un objeto sufre
expansión térmica, los
agujeros que contiene
también se expanden.
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión
Expansión volumétrica
volumétrica
Es una consecuencia de la expansión lineal que sufren
las dimensiones lineales. Si tenemos un cubo de lado
L, cada lado se expande según la ecuación anterior,
dando como resultado un aumento de volumen ΔV:
ΔV = β V0 ΔT
Coef. de expansión volumétrica
−1
ó (Co ) −1
Unidades: K
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Dilatación térmica
Obsérvese que
β = 3α
¿Por qué?
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Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Anomalía
Anomalía térmica
térmica
del
del agua
agua
El agua se
expande cuando
baja su
temperatura en
o
el rango de 4 C a
o
0 C.
Esta anomalía
permite la
conservación de
la vida en los
ambientes
acuáticos.
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Bibliografía
•Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Serway & Jewett, “Física”, Ed. Thomson (vol. II)
•Halliday, Resnick & Walter, “Física”, Ed. Addison- Wesley.
•Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education (vol. II)
•J. Aguilar, “Curso de Termodinámica” Ed. Alambra
•Çengel & Boles, “Termodinámica”, Ed. Prentice-Hall
Fotografías y Figuras, cortesía de
Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education
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Universidad de Sevilla