1. Preparatoria Sor Juana Inés de la Cruz 3°A Materia: Temas Selectos de Física II Profesor: Jonathan Quiroga Tinoco Alumno: Porras Mendiola Christian Michelle Hermida Paredes Guillermo Alfonso Temas: Calor y sus propiedades Leyes de los gases Leyes de la termodinámica

3. La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción, la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

4. Formas de propagación RADIACION El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, etc.) o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.

5. CONDUCCIÓN La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.

6. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección. Donde: es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x K (o λ) es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica T es la temperatura t es le tiempo

7. Convección La convección se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura.

8. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

9. Unidades de calor La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el joule. Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1atmósfera de presión para elevar su temperatura 1 °C

10. . La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición. 1 kcal = 1000 cal

11. 1 cal = 4,184 El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.). El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.

12. TEMPERATURA Hay que tener bien claro que los conceptos de calor y temperatura son distintos; como ya hablamos de calor ahora definiremos q es temperatura: La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico.

13. Diferencia entre calor y temperatura El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

14. Escalas de temperatura

15. Dilatación térmica Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

16. Dilatación lineal La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo. Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0y temperatura θ0.

17. Dilatación superficial Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicialS0 y temperatura inicial θ0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a S.

18. Dilatación volumétrica Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo.Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar un cubo metálico de volumen inicial V0 y la temperatura inicial θ0. Si lo calentamos hasta la temperatura final, su volumen pasará a tener un valor final igual a V.

19. Formulas Lineal: Donde:L0 = longitud inicial.L = longitud final.ΔL = dilatación (DL > 0) ó contracción (DL < 0)Δθ = θ0 – θ (variación de la temperatura) α = es una constante de proporcionalidad característica del material que constituye la barra, denominada como coeficiente de dilatación térmica lineal.

20. Superficial:

21. Volumétrica: Observaciones: Todos Los coeficientes de dilatación sean α, β ou γ, tienen como unidad: (temperatura)-1 ==> ºC-1

22. PROPIEDADES DEL CALOR Capacidad calorífica La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia.

23. Donde; Q; es el calor absorbido por el sistema ΔT; es la variación de temperatura Unidades; Sistema Internacional; Julios por grado Kelvin [J/K] Calorías por grado centígrado [cal/ºC] - (Equivalencia: 1cal = 4,1868 J) Vatios-hora por grado centígrado [Wh/ºC] - (Equivalencia: 1Wh = 3600 J)

24. CALOR CEDIDO O ABSORBIDO Cuando un cuerpo caliente se pone en contacto con uno frio existe un intercambio de energía calorífica del cuerpo caliente al frio hasta que igualan su temperatura. En un intercambio de calor, la cantidad del mismo permanece constante pues el calor transmitido por uno o mas objetos calientes será el que reciba uno o mas objetos fríos. esto da origen a la ley de intercambio de calor que dice: “ en cualquier intercambio de efectuado el calor cedido es igual al absorbido.

25. Calor específico Ce = m*

26. Variación de energía Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incremente su temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la sustancia para "encajar" el calor. El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere. Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:

27. Donde: Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor específico del sistema. ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. Unidad :

28. Leyes de los gasespresión, volumen y temperatura Las moléculas de los gases se mueven continuamente debido a la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, con más velocidad se moverán las moléculas. Pero la temperatura no se mide en la escala normal de temperaturas, la escala Celsius o Centígrada, sino en una escala especial llamada escala Kelvin o escala absoluta.

29. A -273ºC las moléculas estarían quietas. Por eso no puede haber una temperatura más baja. En la escala Kelvin, 0 K equivale a -273ºC. Y no pueden existir temperaturas inferiores, así que no pueden existir temperaturas negativas. Para pasar de una escala a otra basta sumar o restar 273. Así,100ºC serán 100 + 273 = 373K y 500K serán 500 - 273 = 227ºC.

30. Como las moléculas de gas se están moviendo, chocarán con el recipiente que las contiene (y entre sí, claro). Al chocar, ejercerán una presión, otra magnitud física, resultado de dividir la fuerza por la superficie. En el sistema internacional se mide es pascales (Pa), pero cuando se estudian los gases se suele emplear la atmósfera (atm), que es la presión que ejerce la atmósfera a nivel del mar (en la playa, vamos) y que equivale a 101300 Pa. A veces se mide la presión en milímetros de mercurio (mmHg), siendo una atmósfera 760 mmHg. Evidentemente, 1 b equivale a 1000 mb y son 100000

31. Tenemos entonces esta tabla de conversiòn Pascal Atmósfera bar milibar mmHg 101300 1 1.013 1013 760

32. Ley de boyle y mariotte Al aumentar el volumen de un gas, las moléculas que lo componen se separarán entre sí y de las paredes del recipiente que lo contiene. Al estar más lejos, chocarán menos veces y, por lo tanto, ejercerán una presión menor. Es decir, la presión disminuirá. Por el contrario, si disminuye el volumen de un gas las moléculas se acercarán y chocarán más veces con el recipiente, por lo que la presión será mayor. La presión aumentará.

33. Matemáticamente, el producto la presión de un gas por el volumen que ocupa es constante. Si llamamos V0 y P0 al volumen y presión del gas antes de ser modificados y V1 y P1 a los valores modificados, ha de cumplirse: P0 x V0 = P1 x V1

34. EdmeMariotte completó la ley: Cuando no cambia la temperatura de un gas, el producto de su presión por el volumen que ocupa, es constante. El volumen y la presión iniciales y finales deben expresarse en las mismas unidades, de forma habitual el volumen en litros y la presión en atmósferas. Gracias a esta ley, conociendo tres de los cuatro valores, es posible determinar el cuarto. Si la presión aumenta, el volumen tiene que disminuir. Si la presión disminuye, el volumen aumenta, ya que se comportan de forma opuesta.

35. LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC Al aumentar la temperatura de un gas, sus moléculas se moverán más rápidas y no sólo chocarán más veces, sino que esos choques serán más fuertes. Si el volumen no cambia, la presión aumentará. Si la temperatura disminuye las moléculas se moverán más lentas, los choques serán menos numerosos y menos fuertes por lo que la presión será más pequeña.

36. Numéricamente, Gay-Lussac y Charles, determinaron que el cociente entre la presión de un gas y su temperatura, en la escala Kelvin, permanece constante. P0 / T0 = P1 / T1

37. Si el recipiente puede agrandarse o encogerse, al aumentar la temperatura y producirse más choques, estos harán que el recipiente se expanda, por lo que el volumen de gas aumentará. Y por el contrario, si la temperatura disminuye, el volumen también disminuirá. Siempre que la presión no cambie. V0 / T0 = V1 / T1

38. Ley de los gases Las leyes de Boyle y Mariotte y de Charles y Gay-Lussac relacionan la presión, el volumen y la temperatura de un gas de dos en dos, por parejas. Sin embargo, es posible deducir una ley que las incluya a las tres: La ley de los gases perfectos.

39. Según esta ley, es el producto de la presión, volumen e inverso de la temperatura lo que permanece constante en los gases y a partir de ella podemos deducir las leyes anteriores. La cantidad de gas influirá en sus propiedades. Si ponemos el doble de gas, y no cambiamos su volumen, la presión se duplicará. Y si mantenemos la presión pero disminuimos la cantidad de gas a la mitad, el volumen también tendrá que reducirse a la mitad. Relacionar todas las propiedades de los gases con la cantidad de gas lo hace la ecuación de los gases ideales:

40. P x V = n x R x T En la que n es la cantidad de gas en moles, R es un número que vale 0.082 y P, V y T son la presión, volumen y temperatura del gas medidas en atmósferas, litros y Kelvin, respectivamente.

41. Leyes de la termodinámica Para comenzar este tema tenemos que deja bien en claro que es la termodinámica: es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Es importante recalcar que la Termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquél estado hacia "el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas"

42. Principio cero de la termodinámica Establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

43. El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.

44. Primer ley de la termodinámica También conocida como principio de conservación de la energía, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por NicolasLéonardSadiCart en 1824.

45. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma: Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

46. Segunda ley de la termodinámica Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario . También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

47. La entropía(simbolizada como S) es una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

48. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio: Enunciado de Clausius: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada". Enunciado de Kelvin No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (E.absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).

49. Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

51. Tercera ley de la termodinámica Propuesta por WaltherNernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico.

52. Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.

53. El Demonio de Maxwell es el nombre de una criatura imaginaria ideada en 1867 por el físico escocés James Clerk Maxwell como parte de un experimento mental diseñado para ilustrar la Segunda Ley de la Termodinámica. Esta ley prohíbe que entre dos cuerpos a diferente temperatura se pueda transmitir el calor del cuerpo frío al cuerpo caliente. La segunda ley también se expresa comúnmente afirmando: "En un sistema aislado la entropía nunca decrece"