Ficha teórica correspondiente Repartidos 12 y 13

UdelaR Facultad de Ciencias
Curso de Física I p/Lic. Física y Matemática
Curso 2012
TERMODINÁMICA
Temperatura y calor –
Si ponemos dos sistemas en
contacto puede fluir energía entre
ellos: se dice que hay un
intercambio de calor. Si no hay
intercambio de calor, se dice que
los sistemas están en equilibrio
térmico entre sí.
Ley cero de la termodinámica: Si
los cuerpos A y B están en
equilibrio térmico con otro C,
1.
entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí (están a la misma T).
Cuando dos sistemas están en equilibrio térmico, decimos que están a la misma temperatura.
2.- Escalas de temperatura- Se define la temperatura absoluta (escala Kelvin) de modo que el punto triple del
agua (en que el hielo, el agua líquida y el vapor pueden coexistir en equilibrio) sea 273,16 K Corresponde a la
unidad en el SI.
La temperatura en la escala Celsius (ºC) se relaciona con la temperatura en escala absoluta a través de la relación:
TCelsius = TKelvin –273, 15
(1)
La temperatura en la escala Farenheit (ºF) se relaciona con la temperatura en escala Celsius a través de la relación:
Escala Farenheit (TF)
TF =
9
TC + 32 (pasaje de grados Celsius a Fahrenheit)
5
(2)
3. Dilatación térmica- En general, los cuerpos cuando son calentados se
dilatan, y se caracterizan por un coeficiente de dilatación lineal
(definido como
L
 L
T
lineal: L = LF – L0 = .L0T
superficial: A = AF – A0 = 2.A0T
volumétrica: V = VF – V0 = 3.V0T
(3)
(4)
(5) 
(6)
4. Calorimetría- Calor (Q): Forma de energía “degradada” que fluye entre un sistema y su entorno en virtud de la
diferencia de temperatura. El calor se puede medir en J, pero históricamente se usaron otras unidades, como la caloría (cal):
Unidades de calor
1Cal = 1 kcal = 1.000 cal = 3,978 BTU = 4.186 J
(7)
Capacidad calorífica (C) – es la cantidad de calor que hay que suministrarle a un cuerpo para elevar su temperatura 1 K (o
1 ºC)
C=
Q
T
Calor específico (c ) es la capacidad calorífica por unidad de masa
(8)
c=
C Q
=
m mT
(9)
Caracteriza a cada sustancia, y si bien depende de la temperatura (y de otras variables) , la supondremos constante.
Ficha Nº 9
1
UdelaR Facultad de Ciencias
Curso de Física I p/Lic. Física y Matemática
Para un sistema aislado:
Curso 2012
Q cedido cuerpo caliente = Q absorbido cuerpo frío
(10)
Calor sensible (asociado a un
aumento en la temperatura):
Q = m.c (TF - T0)
(11)
Para el agua a 15ºC:
c = 4186 J/kgºC = 1,00 cal/gºC
Para el hielo -5ºC:
c = 2090 J/kgºC = 0,50 cal/gºC
Calor latente (L) (asociado a un
cambio de estado, T permanece
constante): energía térmica
necesaria para producir un cambio
de fase (estado) de una masa m.
Depende de la sustancia y del cambio de estado .
Q = m.L
Para el agua:
fusión Lf = 3,33105 J/kg = 80 Kcal/kg
vaporización LV = 2,26106 J/kg = 540 Kcal/kg
(12)
(a 0ºC)
a Patm, la vaporación del agua se realiza a 100ºC y 1 m3 de agua se transforman en 1671 m3 de vapor.
4. Modelo de gas ideal –teoría cinética- Hipótesis del modelo: 1) las moléculas tienen movimiento al azar y obedecen las
leyes de Newton; 2) el número de moléculas es muy grande y colisionan elásticamente; 3) el volumen de las moléculas es
despreciable; 4) las fuerzas que actúan sobre ellas son despreciables, salvo cuando chocan.
Número de partículas que tiene un mol: Número de Avogadro
NA = 6,0221023
Constante de Boltzmann (k)
k = 1,3806610-23 J/molécula K
Número de moléculas o partículas (N)
Número de moles: n
m
~
Masa molar: m
n ~
m
R- constante universal de los gases ideales
R = 8,3145 J/molK = 1,986 cal/molK =0,0821 L.atm/molK
1
3
2
mvRMS
 kT
2
2
Energía cinética de traslación de 1 molécula:
Ktraslación =
Ecuación de estado de un gas ideal
PV = nRT =NkT
(14)
CV calor específico molar a V cte.:
Q = nCVT
(15)
CP calor específico molar a P cte.:
Q = nCPT
(16)
(13)
Para gas ideal monoatómico:
CV =
3
R (17)
2
CP =
5
R (18)
2
 
CP 5

CV 3
Para gas ideal diatómico:
CV =
5
R (20)
2
CP =
7
R (21)
2
 
CP 7
 = 1,40 (22)
CV 5
Ficha Nº 9
(19)
2
UdelaR Facultad de Ciencias
Curso de Física I p/Lic. Física y Matemática
W= 
5.- Trabajo termodinámico (W)
Curso 2012
VF
 PdV
(23)
V0
(definición según convención en que una expansión es negarivo (Resnick), otra
convención lo define como positivo (Serway)
(el trabajo es igual al área bajo la curva en el diagrama P-V)
Trabajo en diferentes procesos:
isócoro (V=cte)
isobárico (P=cte)
isotérmico (T=cte)
W=0
(24)
W = - P (VF-V0) (25)
V 
W = - nRT ln  F  (26)
 V0 
adiabático (no intercambia calor):
P1V1  P2V 2 (27)
Wadiabático  
T1V1 1  T2V 2 1

P1V1  P2V2 PF VF  P0V0

 1
 1
(28)
(29)
Energía interna (U) – es una función de estado.
Umonoatómico=
3
nRT (30)
2
Udiatómico=
5
nRT (31)
2
6. Primer Principio de la Termodinámica – expresa la conservación de la energía

Q
U = UF- U0 = Q + W (32)
Q > 0 si entra al sistema
W > 0 si entra del sistema (compresión)
En un ciclo: U = 0  UF = U0 
Sistema
W
Q=-W
Nota: Tomado de Resnick, en que se usa E para simbolizar la energía interna (U)
Ficha Nº 9
3