FUNDAMENTOS INTRODUCTORIOSDE TERMODINAMICA1.2.CALOR Y TEMPERATURA
OBJETIVOS• Diferenciar los conceptos de Calor y temperatura• Comprender el funcionamiento de un termómetro.• Comprender el...
CONTENIDOS: •   Breve reseña Histórica •   Energía térmica •   Temperatura •   Dilatación •   Calor •   Calor Específico •...
Breve reseña Histórica  La hipótesis del calórico y su cuestionamiento.  El primero de los problemas que tuvo que resolver...
• Se le denomina energía térmica a la energía liberada en forma de  calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica),...
Calor y energía térmica    La energía interna es toda la energía que pertenece a un    sistema mientras está estacionario ...
Energía Térmica       La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando       cambia la temperatura d...
Unidades de calor    La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la    temperatura de 1 g de a...
El equivalente mecánico del calor                                    4.1858 J de energía                                  ...
Capacidad Calorífica y calor específico    La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se    de...
Ejemplo   La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de agua en   3°C es:                   Q = mc T = (...
Calores específicos de algunas sustanciasa 25°C y presión atmosférica                                             Calor es...
Calorimetría     Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y     se sumerge en una cantidad c...
Ejemplo  Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a continuación se introduce  en un vaso de laboratorio ...
Tarea        El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de        10.0°C. El elemento...
Calor latente     Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman     cambios de fase.     La ...
Algunos calores latentes     Sustancia         Punto de fusión   Calor latente de   Punto de      Calor Latente           ...
Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadidacuando 1 g inicialmente a 30°C se convierte en vapor a120°C.   ...
Parte A. Q1 = mici T = (1x10 3)(2090)(30) = 62.7 JParte B. Q2 = mLf = (1x10 3)(3.33x105) = 333 JParte C. Q3 = mwcw T = (1x...
Ejemplo¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de agua en unrecipiente de vidrio de 100 g ...
REFLEXIONES CREATIVAS     ¿Por que sudar durante los ejercicios ayuda a mantenerse fresco?     ¿Cómo se pueden proteger a ...
Tarea        ¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -        10.0°C a vapor a 50°C?
Diagrama p-V                                                  Hipérbolas                              p        pV = nRT   ...
Trabajo y calor en procesos termodinámicos   Gas contenido en un cilindro a   una presión P efectúa trabajo   sobre un émb...
El trabajo total cuando el volumen  cambia de Vi a Vf es:                 Vf          W           PdV                 ViEl...
Trayectorias          P                           P                          P                   i                        ...
Trabajo y calor                                          Pared       Pared                                          aislan...
EjemploUna muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00m3 en un proceso cuasi-estático para el ...
Tarea        Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un volumen de 0.050        m3. ¿Cuál es el trabajo ...
Energía Térmica     Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le     llama energía interna...
La primera ley de la termodinámica    La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía    interna ...
Consecuencias de la 1a. ley      Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.      Puesto que para un ...
Aplicaciones de la primera ley    Un trabajo es adiabático si no entra o   Expansión libre adiabática    sale energía térm...
Proceso isobáricoUn proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:                           ...
Proceso isocórico   Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal   proceso el trabajo es c...
Proceso isotérmico   Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas   ideal es trabajo es:...
Proceso adiabático     En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores.     El trabajo e...
Ejemplo      Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10      L, ¿Cuánto trabajo ha realizado ...
Ejemplo     Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión isobárica a 2.5 kPa. Si el     volumen aumenta de 1 m3 a...
Tarea        Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00 L a 2.00 L. En el        proceso salen 400 J de e...
Tarea para el foroUna bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará latemperatura ...
Transferencia de calor      El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe      el nombre...
Ley de conducción de calor      La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el símbolo de potencia P ):       ...
Conducción en una barra                                          dT    T2 T1                     L                        ...
Conductividades térmicas                   Metales (a 25°C)                   Conductividad térmica (W/m °c)              ...
Transferencia de energía entre dos placas             L2       L1                                                T T1     ...
Ejemplo     Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor     y 0.200 cal/cm °C s de conductivid...
Tarea    Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared de 4.00 cm de    espesor está hecha con un materi...
Convección     El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina     convección. La convección p...
Radiación      El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este      proceso se le llama rad...
La temperatura es una medida del calor o  energía térmica de las partículas en una  sustancia. Para medir la temperatura s...
DILATACIÓN TÉRMICASe denomina dilatación al cambio de longitud,  volumen o alguna otra dimensión métrica  que sufre un cue...
CALOR• El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,  moléculas y otras partículas que forman la ...
CALOR Y TEMPERATURA: INTERCAMBIO DEL CALORCOMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA             Pese a que los cambios que pu...
EFECTOSDE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA    •   Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que ...
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA•   Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero    mien...
CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO        Calor y temperatura son conceptos diferente.  El calor es energía en movimi...
DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS                  El calor como hemos estudiado el calor es el transi...
ESCALAS TERMOMÉTRICAS                        59
PROPAGACION DEL CALOR  •   El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación.  •   La conducción del calo...
TEMA 1.2.DIFERENCIA ENTRE CALOR Y     TEMPERATURA.          SUBTEMA 1.2.1.CONCEPTO DE TEMPERATURA Y MEDICIÓN.
• Cuando se habla de la temperatura de un objeto,  frecuentemente la asociamos con lo caliente o con  lo frío que se sient...
• Si realizaste esta actividad te habrás dado cuenta de  que no podemos confiar en nuestra percepción  sensorial, ya que u...
• Por lo pronto diremos que la temperatura y el  calor son dos tipos de energía: la  temperatura está asociada a la energí...
Concepto de temperatura y medición.  • Antes de definir el concepto de temperatura    diremos que, al igual que la longitu...
• Cualquier magnitud que cambia con la temperatura  es una propiedad termométrica. Por ejemplo, la  altura, la longitud de...
Tipos de termómetros  • Existen varios tipos de termómetros: el más común    es aquel que consiste en un tubo capilar cerr...
• También       existen   los     termómetros  bimetálicos, que consta de una espiral  formada por dos no metales, uno de ...
• También existen los llamados pirómetros  ópticos, que tienen un foco conectado a un  circuito, donde el observador compa...
• Después de mencionar varios tipos de termómetros,  diremos que uno de los primeros termómetros,  fue construido por Gali...
Equilibrio térmico    • Si llenamos una olla de metal con café hirviendo,      seguramente no la podremos sostener por lo ...
• Siguiendo con el ejemplo; cuando sostenemos el  recipiente con el guante de asbesto, éste no  permite el paso del calor ...
• Experimentalmente se ha comprobado que cuando  dos sistemas se ponen en contacto térmico, sus  coordenadas de estado pue...
• Supongamos que ahora que dos sistemas (1)  y (2), se encuentran separados por una pared  adiabática, ambos en contacto t...
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• Experimentalmente se comprueba que los sistemas  1 y 2 alcanzan el equilibrio térmico con el sistema 3.  Si se retira la...
• Ahora bien, hasta aquí hemos visto el concepto de equilibrio  térmico entre dos sistemas. ¿Qué es lo que determina si lo...
Escalas termométricas (Celsius, Fahrenheity Kelvin)  • El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de   ...
Escala Celsius  • En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius    basó su escala en el punto de fusión del hielo    (0 ° C), y...
Escala Kelvin  • Años después el Inglés William Kelvin propuso una    nueva escala de temperatura, en la cual el cero    c...
• Existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = -  273 °C = -460 ° F, pero no hay límite máximo  de ella, pues en forma ex...
Conversión de temperaturas de una escala aotra. • Aunque la escala Kelvin es usada por el SI, para medir   temperaturas, a...
Problemas de conversión de temperaturasde una escala a otra.   •   1.- Convertir 100 °C a Kelvin:   •   ° K = 100 °C + 273...
• El punto de ebullición del alcohol etílico es de 78.5°  C y el de congelación de -117° C bajo una presión  de una atmósf...
• El mercurio hierve a 675° F y se solidifica a -38 °F  bajo la presión de una atmósfera. Expresar estas  temperaturas en ...
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  1. 1. FUNDAMENTOS INTRODUCTORIOSDE TERMODINAMICA1.2.CALOR Y TEMPERATURA
  2. 2. OBJETIVOS• Diferenciar los conceptos de Calor y temperatura• Comprender el funcionamiento de un termómetro.• Comprender el efecto que tiene el intercambio de calor en la temperatura o el estado de agregación de los cuerpos.• Definir el concepto de Equilibrio Térmico, y aplicarlo para la determinación de temperaturas de equilibrio o magnitudes calorimétricas en mezclas de sustancias con diferentes temperaturas.
  3. 3. CONTENIDOS: • Breve reseña Histórica • Energía térmica • Temperatura • Dilatación • Calor • Calor Específico • Equivalente mecánico del calor • Cambios de estado • Calor latente
  4. 4. Breve reseña Histórica La hipótesis del calórico y su cuestionamiento. El primero de los problemas que tuvo que resolver la ciencia del calor fue la diferenciación entre este concepto y la temperatura. Gracias a la construcción y uso de termómetros, Joseph Black (1728-1799) definió operacionalmente la temperatura de un cuerpo como el número que marcaba el termómetro puesto contacto con él y el calor se entendía como algo que se intercambiaban los cuerpos a diferente temperatura hasta llegar al equilibrio térmico. Así pues, el calor se definió relacionándolo con la variación de temperatura y la masa del cuerpo calentado o enfriado. Se fue construyendo la calorimetría como un método (el de las mezclas) que permitía predecir y contrastar la temperatura de equilibrio al poner en contacto dos cuerpos a diferente temperatura. En relación a la naturaleza del calor como dice Arons (1970), Bacon, Hooke y el calor es una propiedad del cuerpo calentado resultando del movimiento (vibratorio) o agitación de sus partes
  5. 5. • Se le denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), mediante energía eléctrica por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos. ENERGIA TÉRMICA
  6. 6. Calor y energía térmica La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.
  7. 7. Energía Térmica La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica. Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema. La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.
  8. 8. Unidades de calor La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC. La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63ºF a 64ºF. En el sistema SI la unidad de calor es la unidad de energía, es decir, el Joule.
  9. 9. El equivalente mecánico del calor 4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC. Éste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor.
  10. 10. Capacidad Calorífica y calor específico La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado. Q=C T El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa. C Q c m m T El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.
  11. 11. Ejemplo La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de agua en 3°C es: Q = mc T = (0.5)(4186)(3) = 6.28 x 103 J. Donde c = 4186 J/kg °C
  12. 12. Calores específicos de algunas sustanciasa 25°C y presión atmosférica Calor específico Sustancia J/kg °C Cal/g °C Sólidos elementales Aluminio 900 0.215 Berilio 1830 0.436 Cobre 387 0.0924 Germanio 322 0.077 Oro 129 0.0308 Hierro 448 0.107 Plomo 128 0.0305 Silicio 703 0.168 Plata 234 0.056 Otros sólidos Vidrio 837 0.200 Hielo (-5°C) 2090 0.50 Mármol 860 0.21 Madera 1700 0.41 Líquidos Alcohol (etílico) 2400 0.58 Mercurio 140 0.033 Agua (15°C) 4186 1.00 Gas Vapor (100°C) 2010 0.48
  13. 13. Calorimetría Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y se sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura final y con estos datos se puede calcular el calor específico. antes Qfrio = Qcaliente mx después mwcw(Tf Tw) = mxcx(Tf Tx) Tx mwcw T f Tw cx mx Tx T f mw Tf Tw< Tx
  14. 14. Ejemplo Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a continuación se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22.4 °C, encuentre el calor específico del metal. mwcw T f Tw cx =(0.4)(4186)(22.4 20)/((0.050)(200 22.4)) = 452.54 mx Tx T f
  15. 15. Tarea El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de 10.0°C. El elemento cae una distancia total de 50.0 m. Suponiendo que toda su energía potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en el fondo de las cataratas. c = 4186 J/kg °C Q = mc T
  16. 16. Calor latente Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase. La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es Q = mL Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia. Existen dos tipos de calor latente: Lf calor latente de fusión Lv calor latente de vaporización
  17. 17. Algunos calores latentes Sustancia Punto de fusión Calor latente de Punto de Calor Latente (°C) fusión (J/kg) ebullición de vaporización Helio -269.65 5.23x105 -268.93 2.09x104 Nitrógeno -209.97 2.55x104 -195.81 2.01x105 Oxígeno -218.79 1.38x104 -182.97 2.13x105 Alcohol etílico -114 1.04x105 78 8.54x105 Agua 0.00 3.33x105 100.00 2.26x106 Azufre 119 3.81x104 444.60 3.26x105 Plomo 327.3 2.45x104 1750 8.70x105 Aluminio 660 3.97x105 2450 1.14x107 Plata 960.80 8.82x104 2193 2.33x106 Oro 1063.00 6.44x104 2660 1.58x106 Cobre 1083 1.34x105 1187 5.06x106
  18. 18. Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadidacuando 1 g inicialmente a 30°C se convierte en vapor a120°C. Se T(°C) calienta el Se vapor evapora el E agua D 120 100 Se calienta el agua Vapor C 50 Agua + Se funde vapor el hielo B Agua 0 A Se Hielo + agua calienta el hielo -30 62.7 396.7 815.7 3076 Hielo
  19. 19. Parte A. Q1 = mici T = (1x10 3)(2090)(30) = 62.7 JParte B. Q2 = mLf = (1x10 3)(3.33x105) = 333 JParte C. Q3 = mwcw T = (1x10 3)(4.19x103)(100.0) = 419 JParte D. Q4 = mLv = (1x10 3)(2.26x106) = 2.26x103 JParte C. Q5 = mscs T = (1x10 3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 JTotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J
  20. 20. Ejemplo¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de agua en unrecipiente de vidrio de 100 g de 20.0 a 50.0 °C? Para enfriar el vapor Q1 = mc T = m(2010)30 = 60300m J Para condensar el vapor se libera: Q2 = mLf = m(2.26x106) Para calentar el agua y el recipiente se requiere: Q3 = mwcw T + mVcv T = (0.2)(4186)(30) + (0.1)(837)(30) = 27627 Para enfriar el vapor (agua) de 100°C a 50°C Q3 = mcw T = m(4186)(50) = 209300 Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente 60300m + 2260000m + 209300m = 27627 m = 10.9 g
  21. 21. REFLEXIONES CREATIVAS ¿Por que sudar durante los ejercicios ayuda a mantenerse fresco? ¿Cómo se pueden proteger a los árboles frutales una aspersión de agua cuando amenazan heladas? ¿Por qué el calor latente de evaporación del agua es mucho mas grande que el calor latente de fusión?
  22. 22. Tarea ¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a - 10.0°C a vapor a 50°C?
  23. 23. Diagrama p-V Hipérbolas p pV = nRT T mayor p = nRT/V Presión T menor V Volumen
  24. 24. Trabajo y calor en procesos termodinámicos Gas contenido en un cilindro a una presión P efectúa trabajo sobre un émbolo móvil cuando el sistema se expande de un volumen V a un volumen V + dV. dW = Fdy = PAdy dW = PdV
  25. 25. El trabajo total cuando el volumen cambia de Vi a Vf es: Vf W PdV ViEl trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminadadel sistema.El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta elestado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.
  26. 26. Trayectorias P P P i i i Pi Pi Pi f f Pf Pf Pf f V Vi Vf Vi Vf Vi Vf El trabajo realizado por un sistema depende de los estados inicial y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre dichos estados.
  27. 27. Trabajo y calor Pared Pared aislante aislante Posición final Vacío Membrana Posición inicial Gas a T1 Gas a T1 Depósito de energía La energía transferida por calor, al igual que el trabajo realizado depende de los estados inicial y final e intermedios del sistema.
  28. 28. EjemploUna muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00m3 en un proceso cuasi-estático para el cual P = V2, con = 5.00 atm/m6,como se muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión? P f P = V2 i V 1.00m3 2.00m3
  29. 29. Tarea Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un volumen de 0.050 m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas si a) se expande a presión constante hasta el doble de su volumen inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta un cuarto de su volumen inicial?
  30. 30. Energía Térmica Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le llama energía interna U. Si se efectúa un trabajo sobre un sistema sin intercambiar calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al negativo trabajo realizado: dU = dW infinitesimal UB UA = WA B finito La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las variables termodinámicas.
  31. 31. La primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema: U = UB UA = WA B+ QA B Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica. Para cambios infinitesimales la primera ley es: dU = dW + dQ Si la cantidad Q W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.
  32. 32. Consecuencias de la 1a. ley Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero. Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, U = 0. En un proceso cíclico el cambio en la Trabajo = Calor = Área energía interna es cero. P En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al trabajo W realizado. Q = W, U = 0 En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es igual al área encerrada por la trayectoria que V representa el proceso sobre un diagrama PV.
  33. 33. Aplicaciones de la primera ley Un trabajo es adiabático si no entra o Expansión libre adiabática sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso: U= W membrana vacío Para la expansión libre adiabática Gas a Ti Q = 0 y W = 0, U = 0 Muro aislante La temperatura de un gas ideal que sufre una expansión libre permanece constante. Tf = Ti membrana Como el volumen del gas cambia, la energía interna debe ser independiente del volumen, por lo tanto Uideal = U(T)
  34. 34. Proceso isobáricoUn proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es: Vf Vf W PdV P dV P Vf Vi Vi Vi Para mantener la presión constante deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna P (temperatura) P El flujo de calor en este caso es: dQ = Cp dT El subíndice indica que es capacidad calorífica a presión constante. Vi Vf
  35. 35. Proceso isocórico Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q W=0 Para incrementar la presión deberá P haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna Pf (temperatura) El flujo de calor en este caso es: dQ = CV dT Pi V El subíndice indica que es capacidad V calorífica a volumen constante.
  36. 36. Proceso isotérmico Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas ideal es trabajo es: P Isoterma Vf Vf nRT i W PdV dV Pi Vi Vi V PV = cte. Vf W nRT ln Pf f Vi Vi Vf
  37. 37. Proceso adiabático En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores. El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna. Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es adiabáticas pV p0V0 cte. isoterma s Donde = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal
  38. 38. Ejemplo Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10 L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión? Vf W nRT ln Vi ¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este proceso? Q=W Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas? W = P(Vf Vi) = nRT/Vi(Vf Vi)
  39. 39. Ejemplo Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión isobárica a 2.5 kPa. Si el volumen aumenta de 1 m3 a 3 m3, y si 12.5 kJ de energía se transfieren por calor, calcule a) el cambio en la energía interna b) su temperatura final. W = P(Vf Vi) = 2.5k(3 1) = 5 kJ U = W + Q = 5kJ + 12.5 kJ = 7.5 kJ piVi /Ti = pf Vf /Tf , entonces Tf = Ti pf Vf /(piVi) = (300)(2.5k)(3)/(2.5k)(1) = 900 K
  40. 40. Tarea Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00 L a 2.00 L. En el proceso salen 400 J de energía de gas por calor, a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas? b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?
  41. 41. Tarea para el foroUna bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará latemperatura del plomo si el 80% de la energía se emplea en calentarlo? La masa de 1 mol deplomo es 208 g.Un trozo de cobre de 100 g se calienta de 0°C hasta 100°C, a la presión atmosférica. ¿Cuál es elcambio de su energía interna?El gas de un cilindro se deja expandir desde un volumen de 1.0 x 10 3 m3 hasta uno de 2.5 x 10 3m3 y, al mismo tiempo, la presión varía linealmente con respecto al volumen, desde 1.3 atminiciales, hasta una presión final de 0.85 atm. ¿Cuál es el trabajo efectado por el gas? Se llevan tres moles de gas por un ciclo p termodinámico de la figura. El ciclo consta de 1) A una expansión isotérmica de A → B a una 6.5 T = 400K temperatura de 400K, y una presión pA = 6.5 atm; 2) una compresión isobárica de B → C a 1 atm; y 3) un aumento isicórico de presión C → A. ¿Qué trabajo se efectúa sobre el gas por ciclo? 1 B C V
  42. 42. Transferencia de calor El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas. La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas del medio conductor. La tasa a la cual fluye el calor es: Q T A t x
  43. 43. Ley de conducción de calor La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el símbolo de potencia P ): dT P kA dx Donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura. T2 A Flujo de calor por T2 > T1 T1 dx
  44. 44. Conducción en una barra dT T2 T1 L dx L Flujo de T2 energía T1 T2 T1 T2>T1 P kA Aislante L
  45. 45. Conductividades térmicas Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c) Aluminio 238 Cobre 397 Oro 314 Hierro 79.5 Plomo 34.7 Plata 427 No metales (valores aproximados) Asbestos 0.08 Concreto 0.8 Diamante 2300 Vidrio 0.8 Hielo 2 Caucho 0.2 Agua 0.6 Madera 0.08 Gases (a 20°C) Aire 0.0234 Hidrógeno 0.172 Nitrógeno 0.0234 Oxígeno 0.0238
  46. 46. Transferencia de energía entre dos placas L2 L1 T T1 T2 T P k1 A P2 k2 A 1 L1 L2 T T1 T2 T T2 k2 k1 T1 k1 A k2 A L1 L2 k1 L2T1 k2 L1T2 T k1 L2 k2 L1 T2>T1 A T2 T1 P L1 / k1 L2 / k 2 A T2 T1 L/k se conoce como el valor R del material P Ri i
  47. 47. Ejemplo Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor y 0.200 cal/cm °C s de conductividad térmica. ¿Cuánta energía se pierde cada segundo por calor cuando el vapor está a 200°C y el aire circundante se encuentra a 20 °C? El tubo tiene una circunferencia de 20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas a través de los extremos del tubo. A = (0.20)(0.50) = 0.1 m2 P = (20)(0.1)(200 20)/(0.015) = 24,000 cal/s
  48. 48. Tarea Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared de 4.00 cm de espesor está hecha con un material aislante. Un calefactor eléctrico de 10.0 W dentro de la caja mantiene la temperatura interior a 15.0 °C sobre la temperatura exterior. Encuentre la conductividad térmica k del material aislante. T2 T1 P kA L
  49. 49. Convección El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina convección. La convección puede ser natural o forzada. Radiador
  50. 50. Radiación El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este proceso se le llama radiación. La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La tasa a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. P = AeT 4 Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T0, entonces la energía que pierde por segundo es P = Ae(T 4 - T0 4)
  51. 51. La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Para medir la temperatura se emplean los termómetros TEMPERATURA
  52. 52. DILATACIÓN TÉRMICASe denomina dilatación al cambio 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
  53. 53. CALOR• El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción).• Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.• Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):• 1 kcal = 1000 cal
  54. 54. CALOR Y TEMPERATURA: INTERCAMBIO DEL CALORCOMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el calor y el trabajo. • Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico. • Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora. El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el calor y el trbajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj = 1000 j) 54
  55. 55. EFECTOSDE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA • Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas. Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el equilibrio térmico. T1 T2 T T T1 > T 2 T=T • El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc • La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución (contracción). 55
  56. 56. CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA• Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante. 56
  57. 57. CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO Calor y temperatura son conceptos diferente. El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que está a mayor temperatura, a otro que está a menor. La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo o un sistema. Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas. La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la temperatura de ebullición del agua. Equivalencia: entre grados centígrados y grados Kelvin es: 0ºC = 273 K 0 K = - 273º C 57
  58. 58. DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía en transito y se mide en julios. La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se mide en kelvin, o en grados centígrados. El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas. Escalas termométricas: • Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100. • Escala Fahrenhelt: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La escala se divide en 180 partes iguales. • Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde aproximadamente con 273 ºC. La undad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K). Para pasar temperaturas entre las escalas, utilizamos las expresiones: t (º C ) t (º F 32T(K) = 1 (ºC) + 273 ) 100 180 58
  59. 59. ESCALAS TERMOMÉTRICAS 59
  60. 60. PROPAGACION DEL CALOR • El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación. • La conducción del calor se produce preferentemente cuando la energía se transmite a través de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmiten esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo. • Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantes del calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin embargo la madera, el plástico o el aire no son buenos conductores, son aislantes. • La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas mas frías. Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el líquido de un recipiente, etc • La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que irradian las estrellas. 60
  61. 61. TEMA 1.2.DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. SUBTEMA 1.2.1.CONCEPTO DE TEMPERATURA Y MEDICIÓN.
  62. 62. • Cuando se habla de la temperatura de un objeto, frecuentemente la asociamos con lo caliente o con lo frío que se siente al tocarlo, de manera que nuestros sentidos nos proporcionan una indicación cualitativa de la temperatura; sin embargo, eso no es confiable. Para demostrarlo te invitamos a meter la mano derecha en agua fría y la izquierda en agua caliente y posteriormente meter las dos manos en agua tibia. ¿Cómo se sentirá cada una de las manos la temperatura del agua?.
  63. 63. • Si realizaste esta actividad te habrás dado cuenta de que no podemos confiar en nuestra percepción sensorial, ya que una mano nos indicará que el agua está caliente y la otra que está fría, en lugar de indicarnos que está tibia. Por los tanto, si queremos definir la temperatura cuantitativamente, debemos hacerlo con procedimientos independientes de nuestra percepción sensorial de frío y caliente.
  64. 64. • Por lo pronto diremos que la temperatura y el calor son dos tipos de energía: la temperatura está asociada a la energía cinética molecular de un cuerpo, mientras que el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro.
  65. 65. Concepto de temperatura y medición. • Antes de definir el concepto de temperatura diremos que, al igual que la longitud, la masa, y el tiempo, la temperatura, es una unidad fundamental que nos permite describir numerosos fenómenos que ocurren en la materia. Para eso, es necesario aislar una parte de Universo por medio de una frontera bien definida, a la cual llamamos sistema termodinámico.
  66. 66. • Cualquier magnitud que cambia con la temperatura es una propiedad termométrica. Por ejemplo, la altura, la longitud de los metales, la columna de mercurio, el volumen de los gases, la resistencia eléctrica de un metal, el color de un metal muy caliente. A cada una de estas propiedades se les llama coordenadas de estado del sistema y son utilizadas en la construcción de aparatos que sirven para medir la temperatura: los termómetros.
  67. 67. Tipos de termómetros • Existen varios tipos de termómetros: el más común es aquel que consiste en un tubo capilar cerrado con un bulbo en la parte inferior lleno de un líquido que puede ser mercurio o alcohol coloreado, el cual sube por el capilar al aumentar su temperatura. • También existen los termómetros de gas a volumen constante, cuyo funcionamiento se basa en medir la presión del gas con un manómetro, aumentando este si el gas se calienta o disminuyendo si el gas se enfría.
  68. 68. • También existen los termómetros bimetálicos, que consta de una espiral formada por dos no metales, uno de los cuales se dilata más que el otro, ocasionando que la espiral se curve al calentarse y provoque un giro en la aguja que indica la temperatura. Los termostatos en los hornos y aparatos calefactores utilizan este tipo de espiras bimetálicas.
  69. 69. • También existen los llamados pirómetros ópticos, que tienen un foco conectado a un circuito, donde el observador compara a través de un tubo el color del filamento del foco con el color del horno; cuando ambos colores son iguales se lee la temperatura en una escala. Este termómetro se usa para medir temperaturas muy altas; por ejemplo en una fundidora de metales.
  70. 70. • Después de mencionar varios tipos de termómetros, diremos que uno de los primeros termómetros, fue construido por Galileo Galilei, en 1597. Consistía en un recipiente de vidrio lleno de agua, del cual salía un tubo, también con agua, hasta cierta altura; en el extremo superior de éste había una esfera llena de aire. Cuando el aire de la esfera se dilataba o se comprimía, el nivel del agua en el tubo variaba, lo cual indicaba la temperatura.
  71. 71. Equilibrio térmico • Si llenamos una olla de metal con café hirviendo, seguramente no la podremos sostener por lo caliente que se pone, sin embargo, si la agarramos con un guante de asbesto, como los que se usan en la cocina, ya no sentiremos lo caliente. Como se puede deducir del ejemplo anterior, las paredes de metal del recipiente permiten el paso del calor a nuestras manos; a estas se les llama paredes diatérmicas y pueden definirse como: • Paredes diatérmicas. Son aquellas que dos sistemas, situados en lados opuestos de una pared, interactuar térmicamente.
  72. 72. • Siguiendo con el ejemplo; cuando sostenemos el recipiente con el guante de asbesto, éste no permite el paso del calor a nuestras manos. A este tipo de paredes que sirven de aislantes térmicos, se les denomina paredes adiabáticas, las que definimos como:• Paredes adiabáticas. Son aquellas que no permiten que dos sistemas, situados a los lados de una pared, interactúen térmicamente. Una pared adiabática, es una pared aislante ideal, ya que no existe un aislante térmico perfecto.
  73. 73. • Experimentalmente se ha comprobado que cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, sus coordenadas de estado pueden permanecer constantes o variar, pero después de un intervalo adquieren el mismo valor. Cuando esto sucede, se dice que el sistema llegó a un estado de equilibrio térmico, el cual puede definirse diciendo que:• Estado de equilibrio térmico. Se presenta cuando las coordenadas de estado de dos sistemas, que interactúan térmicamente, no varían con el tiempo.
  74. 74. • Supongamos que ahora que dos sistemas (1) y (2), se encuentran separados por una pared adiabática, ambos en contacto térmico con un tercer sistema (3), mediante paredes diatérmicas, y que todo el sistema está rodeado por una pared adiabática, como se ve en la figuras siguientes:
  75. 75. 31 2
  76. 76. • Experimentalmente se comprueba que los sistemas 1 y 2 alcanzan el equilibrio térmico con el sistema 3. Si se retira la pared adiabática que los separa y se sustituye por una pared diatérmica, al quedar los sistemas 1 y 2 en contacto se verá también que están en equilibrio térmico. Este hecho se conoce como la ley cero de la termodinámica, la cual puede definirse como:• Ley cero de la termodinámica: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.
  77. 77. • Ahora bien, hasta aquí hemos visto el concepto de equilibrio térmico entre dos sistemas. ¿Qué es lo que determina si los sistemas 1 y 2 están o no en equilibrio térmico?• Lo que determina el equilibrio térmico entre dos sistemas es su temperatura por lo que su definición es:• Temperatura.- Es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.• Por lo tanto, cuando dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico, se dice que tienen la misma temperatura, la cual se representa con un número y una cantidad.
  78. 78. Escalas termométricas (Celsius, Fahrenheity Kelvin) • El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, fabricó en 1714, el primer termómetro, para ello lo colocó a la temperatura más baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio (NH4Cl), marcó el nivel que marcaba el mercurio; después al registrar la temperatura del cuerpo humano, volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Más tarde observó, que al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32° F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212 ° F. La escala Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones con los Estados Unidos de América, Inglaterra y Australia, par medidas no científicas.
  79. 79. Escala Celsius • En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius basó su escala en el punto de fusión del hielo (0 ° C), y en el punto de ebullición del agua (100 ° C), a la presión de una atmósfera o sea 760 mmHg, es decir dividió su escala en 100 partes iguales, cada una de 1°C.
  80. 80. Escala Kelvin • Años después el Inglés William Kelvin propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en ésta temperatura, la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 K. Cuando la temperatura se da en Kelvin se dice que es absoluta y ésta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI). •
  81. 81. • Existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = - 273 °C = -460 ° F, pero no hay límite máximo de ella, pues en forma experimental se obtienen en los laboratorios temperaturas de miles de grados, mientras que en una explosión atómica, se alcanzan temperaturas de millones de grados. Se supone que la temperatura en el interior del Sol, alcanzan los mil millones de grados.
  82. 82. Conversión de temperaturas de una escala aotra. • Aunque la escala Kelvin es usada por el SI, para medir temperaturas, aún se emplea la escala Celsius o centígrada y la escala Fahrenheit, por lo tanto es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones: • 1.- Para convertir de grados Celsius a Kelvin: • °K = ° C + 273. • 2.- Para convertir de Kelvin a grados Celsius: • ° C = °K 273. • 3.- Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit: • ° F = 1.8° C + 32. • 4.- Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius: ° C = °F 32 1.8
  83. 83. Problemas de conversión de temperaturasde una escala a otra. • 1.- Convertir 100 °C a Kelvin: • ° K = 100 °C + 273 = 373 °K. • 2.- Convertir 273 °K a °C: • ° C = 273°K 273 = 0°C. • 3.- Convertir 0°C a °F : • ° F = 1.8 x 0°C + 32 = 32°F. • 4.- Convertir 212 °F a °C: • °C = 212°F 32 = 100°C. • 1.8
  84. 84. • El punto de ebullición del alcohol etílico es de 78.5° C y el de congelación de -117° C bajo una presión de una atmósfera. Convertir estas dos temperaturas a la escala Kelvin y a la escala Fahrenheit.• ° K = ° C + 273 = 78.5 +273 = 351.5 °K.• ° K = - 117° C + 273 = 156 °K.• ° F = 1.8 ° C + 32 = 1.8 x 78.5°C + 32 = 173°F.• ° F = 1.8 x -117° C + 32 = - 211 + 32 = -179 ° F.
  85. 85. • El mercurio hierve a 675° F y se solidifica a -38 °F bajo la presión de una atmósfera. Expresar estas temperaturas en grados Celsius y Kelvin.• ° C = ° C = ° F 32 = 675° F 32 = 357 ° C. 1.8 1.8 ° C = - 38 °F 32 = -38.9 ° C 1.8• ° K = ° C + 273. ° K = 357 + 273 = 630 ° K.• ° K = - 38.9° C + 273 = 234.1 ° K.

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