PRESENTACIÓN DE TIPPENS COMO APOYO AL LIBRO DE TEXTO

1. Capítulo 16. Temperatura yCapítulo 16. Temperatura y
dilatacióndilatación
Presentación PowerPoint dePresentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de FísicaPaul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State UniversitySouthern Polytechnic State University
© 2007

2. LA TEMPERATURA es una medida de la energía cinéticaLA TEMPERATURA es una medida de la energía cinética
promedio por molécula. La radiación infrarroja provenientepromedio por molécula. La radiación infrarroja proveniente
del canal de aire en el oído pasa a través del sistema ópticodel canal de aire en el oído pasa a través del sistema óptico
del termómetro y se convierte en una señal eléctrica quedel termómetro y se convierte en una señal eléctrica que
produce una lectura digital de la temperatura corporal.produce una lectura digital de la temperatura corporal.
Fotografía de
Blake Tippens

3. Objetivos: Después de terminarObjetivos: Después de terminar
esta unidad, deberá:esta unidad, deberá:
• Trabajar con escalas de temperatura
Celsius, Kelvin y Fahrenheit tanto
para temperaturas específicas como
para intervalos de temperatura.
• Escribir y aplicar
fórmulas para dilatación
lineal, de área y de
volumen.

4. Energía térmicaEnergía térmica
LaLa energía térmicaenergía térmica es la energía interna total de unes la energía interna total de un
objeto: la suma de sus energías cinética y potencialobjeto: la suma de sus energías cinética y potencial
molecular.molecular.
LaLa energía térmicaenergía térmica es la energía interna total de unes la energía interna total de un
objeto: la suma de sus energías cinética y potencialobjeto: la suma de sus energías cinética y potencial
molecular.molecular.
Energía térmica = U + KEnergía térmica = U + K
U = ½kx2
K = ½mv2
Energía interna: las analogías de resorte son útiles:

5. TemperaturaTemperatura
La temperatura se relaciona con la actividad
cinética de las moléculas, mientras que la
dilatación y los cambios de fase de las
sustancias se relacionan más con la energía
potencial.
2
½mv
T
N
=
∑
Aunque no es cierto en todos los casos, un
buen principio es definir la temperatura como la
energía cinética promedio por molécula.

6. Temperatura contra energía internaTemperatura contra energía interna
Las jarras grande y
pequeña tienen la
misma temperatura,
pero no tienen la misma
energía térmica. Una
mayor cantidad de agua
caliente funde más
hielo.
El volumen más
grande tiene mayor
energía térmica
Misma
temperatura
inicial
agua
hielo
hielo

7. Equilibrio de temperaturaEquilibrio de temperatura
El calor se define como la
transferencia de energía
térmica debido a una
diferencia en temperatura.
Carbones
calientes
Agua fría Misma temperatura
Equilibrio térmico
Contenedor
aislado
Dos objetos están en
equilibrio térmico si y sólo si
están a la misma
temperatura.

8. TermómetroTermómetro
Un termómetro es cualquier
dispositivo que, mediante
escalas marcadas, puede dar
una indicación de su propia
temperatura.
T = kXT = kX
X es propiedad termométrica: dilatación, resistencia
eléctrica, longitud de onda de luz, etc.

9. Ley cero de la termodinámicaLey cero de la termodinámica
Ley cero de la termodinámica:Ley cero de la termodinámica: Si dos objetosSi dos objetos AA yy BB están enestán en
equilibrioequilibrio por separadopor separado con un tercer objetocon un tercer objeto CC, entonces los, entonces los
objetosobjetos AA yy BB están en equilibrio térmico mutuo.están en equilibrio térmico mutuo.
A
Objeto C
A B
Equilibrio térmico
Misma temperaturaB
Objeto C

10. 1000
C 2120
F
00
C 320
F
Escalas de temperaturaEscalas de temperatura
El punto fijo inferior es el
punto de congelación, la
temperatura a la que el hielo y
el agua coexisten a 1 atm de
presión:
0 0
C o 32 0
F0 0
C o 32 0
F
El punto fijo superior es el
punto ebullición, la
temperatura a la que vapor y
agua coexisten a 1 atm de
presión:
100 0
C o 212 0
F100 0
C o 212 0
F

11. Comparación de intervalos deComparación de intervalos de
temperaturatemperatura
2120
F
320
F
180 F0
1000
C
00
C
100 C0
tC tF
Intervalos de temperatura:
100 C0
= 180 F0
5 C0
= 9 F0
Si la temperatura cambia
de 79 0
F a 70 0
F,
significa una
disminución de 5 C0
.

12. Etiquetas de temperaturaEtiquetas de temperatura
Si un objeto tiene una temperatura específica, se colocaSi un objeto tiene una temperatura específica, se coloca
el símbolo de gradoel símbolo de grado 00
antesantes de la escala (de la escala (00
CC oo 00
FF).).
t = 60t = 60 00
CC
Se dice: “La temperatura es sesenta
grados Celsius.”
Se dice: “La temperatura es sesenta
grados Celsius.”

13. Etiquetas de temperatura (Cont.)Etiquetas de temperatura (Cont.)
Si un objeto experimenta unSi un objeto experimenta un cambio de temperaturacambio de temperatura,,
se coloca el símbolo de gradose coloca el símbolo de grado 00
despuésdespués de la escalade la escala
((CC00
oo FF00
) para indicar el intervalo de temperatura.) para indicar el intervalo de temperatura.
Se dice: “La temperatura disminuyó cuarenta
grados Celsius.”
Se dice: “La temperatura disminuyó cuarenta
grados Celsius.”
∆t = 60 0
C – 20 0
C ∆t = 40 C0
ttii = 60= 60 00
CC
ttff = 20= 20 00
CC

14. Temperaturas específicasTemperaturas específicas
2120
F
320
F
1000
C
00
C
180 F0
100 C0
tC tF
Mismas temperaturas
tienen números
diferentes: 0
C 0
F
0 0
0 32
100 div 180 div
C Ft t− −
=
09
5 32C Ft t= −
09
5 32F Ct t= + ( )05
9 32C Ft t= −

15. Ejemplo 1:Ejemplo 1: Un plato de comida se enfría deUn plato de comida se enfría de
16016000
FF aa 656500
FF. ¿Cuál fue la temperatura. ¿Cuál fue la temperatura
inicial en grados Celsius? ¿Cuál es elinicial en grados Celsius? ¿Cuál es el
cambio en temperatura en grados Celsius?cambio en temperatura en grados Celsius?
Convierta 160 0
F a 0
C
de la fórmula:
( )05
9 32C Ft t= −
0
0 05 5(128 )
(160 32 )
9 9
Ct = − = tC = 71.1 0
CtC = 71.1 0
C
0 0 0
160 F 65 F 95 Ft∆ = − = 9 F0
= 5 C09 F0
= 5 C0
0
0
0
5 C
95 F
9 F
t
 
∆ =  
 
∆t = 52.8 C0∆t = 52.8 C0

16. Limitaciones de las escalasLimitaciones de las escalas
relativasrelativas
El problema más serio con las escalas
Celsius y Fahrenheit es la existencia de
temperaturas negativas.
Claramente, ¡la energía cinética
promedio por molécula NO es
cero o en 0 0
C o en 0 0
F!
¿-25 0
C?
T = kX = ¿0?T = kX = ¿0?

17. Termómetro a volumen constanteTermómetro a volumen constante
Válvula
Volumen
constante de
un gas. (Aire,
por ejemplo)
Presión
absoluta
La búsqueda para un
cero verdadero de
temperatura se puede
hacer con un termómetro
a volumen constante.
Para volumen
constante:
T = kP
Para volumen
constante:
T = kP
La presión varía con la temperatura.

18. Cero absoluto de temperaturaCero absoluto de temperatura
1000
C00
C
P1 P2
T1 T2
-2730
C 00
C 1000
C
P
T
Grafique los puntos (P1,
00
C) y (P2, 1000
C); luego
extrapole a cero.
Cero absoluto = -2730
CCero absoluto = -2730
C
Cero
absoluto

19. Comparación de cuatro escalasComparación de cuatro escalas
1 C0
= 1 K1 C0
= 1 K
5 C0
= 9 F5 C0
= 9 F
09
5 32F Ct t= +
( )05
9 32C Ft t= −
TK = tC + 2730TK = tC + 2730
hielo
vapor
Cero
absoluto
1000
C
00
C
-2730
C
Celsius
C
Fahrenheit
320
F
-4600
F
2120
F
F
273 K
373 K
Kelvin
0K
K
Rankine
0R
460 R
672R
R

20. Dilatación linealDilatación lineal
L
Lo ∆L
to
t
0L L tα∆ = ∆
0
L
L t
α
∆
=
∆
Cobre: α = 1.7 x 10-5
/C0Cobre: α = 1.7 x 10-5
/C0
Aluminio: α = 2.4 x 10-5
/C0Aluminio: α = 2.4 x 10-5
/C0
Hierro: α = 1.2 x 10-5
/C0Hierro: α = 1.2 x 10-5
/C0
Concreto: α = 0.9 x 10-5
/C0Concreto: α = 0.9 x 10-5
/C0

21. Ejemplo 2:Ejemplo 2: Una tubería de cobre mideUna tubería de cobre mide 90 m90 m dede
largo alargo a 2020 00
CC. ¿Cuál es nueva longitud cuando a. ¿Cuál es nueva longitud cuando a
través de la tubería pasa vapor através de la tubería pasa vapor a 10010000
CC??
Lo = 90 m, t0= 200
C
∆t = 1000
C - 200
C = 80 C0
∆L = αLo∆t = (1.7 x 10-5
/C0
)(90 m)(80 C0
)
∆L = 0.122 m L = Lo + ∆L
L = 90 m + 0.122 m
L = 90.12 mL = 90.12 m

22. Aplicaciones de la dilataciónAplicaciones de la dilatación
Junta de
dilatación
Tira bimetálica
Latón
LatónHierro
Hierro
Las juntas de dilatación son necesarias para permitir que
el concreto se dilate, y las tiras bimetálicas se pueden
usar como termostatos o para abrir y cerrar circuitos.

23. Dilatación de áreaDilatación de área
La dilatación de área es análoga a
la ampliación de una fotografía.
El ejemplo muestra una tuerca caliente
que se encoge para un firme ajuste
después de enfriarse.
Dilatación al
calentarse.
A0 A

24. Cálculo de dilatación de áreaCálculo de dilatación de área
∆W
∆L
L
Lo
Wo
W
A0 = L0W0
A = LW
L = L0 + αL0 ∆t
W = W0 + αW0 ∆t
L = L0(1 + α∆t ) W
= W0(1 + α∆t
A = LW = L0W0(1 + α∆t)2
A = A0(1 + 2α ∆t)
Dilatación de área: ∆A = 2αΑ0 ∆tDilatación de área: ∆A = 2αΑ0 ∆t

25. Dilatación de volumenDilatación de volumen
La dilatación es la
misma en todas
direcciones (L, W y
H), por tanto:
∆V = βV0 ∆t∆V = βV0 ∆t β = 3αβ = 3α
La constante β es el coeficiente
de dilatación de volumen. 0
V
V t
β
∆
=
∆

26. Ejemplo 3.Ejemplo 3. Un vaso de precipitados Pyrex deUn vaso de precipitados Pyrex de 200200
cmcm33
se llena hasta el tope con glicerina. Luego else llena hasta el tope con glicerina. Luego el
sistema se caliente desistema se caliente de 2020 00
CC aa 8080 00
CC. ¿Cuánta. ¿Cuánta
glicerina se desborda del contenedor?glicerina se desborda del contenedor?
Vdesb= ¿?
V0 V
200
C
800
C
200 cm3
Glicerina: β = 5.1 x 10-4
/C0
Pyrex: β =
3α
β = 3(0.3 x 10-
5
/C0
) β = 0.9 x 10-
5
/C0
Vdesb = ∆VG - ∆VP
Vdesb = βGV0 ∆t - βPV0 ∆t = (βG - βP )V0 ∆t
Vdesb = (5.1 x 10-4
/C0
- 0.9 x 10-5
/C0
)(200 cm3
)(800
C - 200
C)

27. Ejemplo 3.Ejemplo 3. (continuación)(continuación)
Vdesb= ¿?
V0 V
200
C
800
C
200 cm3
Glicerina: β = 5.1 x 10-4
/C0
Pyrex: β =
3α
β = 3(0.3 x 10-
5
/C0
) β = 0.9 x 10-
5
/C0
Vdesb = ∆VG - ∆VP
Vdesb = βGV0 ∆t - βPV0 ∆t = (βG - βP )V0 ∆t
Vdesb = (5.1 x 10-4
/C0
- 0.9 x 10-5
/C0
)(200 cm3
)(800
C - 200
C)
Desbordamiento de volumen = 6.01 cm3Desbordamiento de volumen = 6.01 cm3

28. ResumenResumen
LaLa energía térmicaenergía térmica es la energía interna de un objeto: laes la energía interna de un objeto: la
suma de sus energías cinética y potencial molecular.suma de sus energías cinética y potencial molecular.
LaLa energía térmicaenergía térmica es la energía interna de un objeto: laes la energía interna de un objeto: la
suma de sus energías cinética y potencial molecular.suma de sus energías cinética y potencial molecular.
Energía térmica = U + KEnergía térmica = U + K
Ley cero de la termodinámica:Ley cero de la termodinámica: Si dos objetosSi dos objetos AA yy BB están enestán en
equilibrioequilibrio por separadopor separado con un tercer objetocon un tercer objeto CC, entonces lo, entonces lo
objetosobjetos AA yy BB están en equilibrio térmico uno con otro.están en equilibrio térmico uno con otro.
A B
Equilibrio térmicoA
Objeto C
B

29. Resumen de escalas de temperaturaResumen de escalas de temperatura
1 C0
= 1 K1 C0
= 1 K
5 C0
= 9 F5 C0
= 9 F
09
5 32F Ct t= +
( )05
9 32C Ft t= −
TK = tC + 2730TK = tC + 2730
hielo
vapor
Cero
absoluto
1000
C
00
C
-2730
C
Celsius
C
Fahrenheit
320
F
-4600
F
2120
F
F
273 K
373 K
Kelvin
0K
K
Rankine
0R
460 R
672R
R

30. Resumen: dilataciónResumen: dilatación
L
Lo ∆Lto
t
0L L tα∆ = ∆
0
L
L t
α
∆
=
∆
Dilatación lineal:
∆A = 2αΑ0 ∆t∆A = 2αΑ0 ∆t
Dilatación de área:Dilatación
A0 A

31. Dilatación de volumenDilatación de volumen
La dilatación es la
misma en todas
direcciones (L, W y
H), por tanto:
∆V = βV0 ∆t∆V = βV0 ∆t β = 3αβ = 3α
La constante β es el coeficiente
de dilatación de volumen. 0
V
V t
β
∆
=
∆

32. CONCLUSIÓN: Capítulo 16CONCLUSIÓN: Capítulo 16
Temperatura y dilataciónTemperatura y dilatación