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Universidad de Oriente
Núcleo Monagas
Escuela de Zootecnia
Tecnología de los Alimentos
Temperatura, Ley Cero De La Termodinámica
Y Gases Ideales
Profesora:
Nereyasmi Sifuentes
Bachilleres:
María Cabello 30.037.180
Humberto Carmona 30.440.130
CONTENIDO:
1. Contacto térmico y equilibrio térmico.
2. Temperatura y ley cero de la termodinámica.
3. Termómetros y escalas de temperatura.
4. Punto triple del agua y la escala de temperatura
termodinámica.
5. Dilatación térmica de sólidos y líquidos: Coeficiente
promedio de dilatación lineal,
coeficiente promedio de expansión volumétrica.
6. Descripción macroscópica de un gas ideal.
7. Constante de Boltzmann.
La termodinámica se conoce como el campo de la física que describe y relaciona las
propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. El estado de un
sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables
termodinámicas, propiedades medibles como:
Contacto térmico y equilibrio térmico.
La temperatura La presión El volumen
Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables, como:
• La densidad
• El calor específico
• La compresibilidad
• El coeficiente de expansión térmica
Con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con
el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se
dice que tiene lugar un proceso termodinámico.
Una de estas propiedades medibles como la temperatura requiere de su comprensión desde
niveles más básicos por medio de los cuales estamos acostumbrados a sentirla, hasta niveles
más profundos cuya definición se apoya en el enunciado de la ley cero de la termodinámica.
Con el fin de comprender el concepto de temperatura, es útil definir en primer lugar los
siguientes términos:
Contacto térmico y equilibrio térmico.
• Energía térmica:
Representa la energía interna total de un objeto: la suma
de sus energías potencial y cinética molecular. Las
moléculas individuales se encuentran unidas por medio de
fuerzas elásticas análogas a los resortes de la figura. Estas
moléculas oscilan respecto a sus posiciones de equilibrio,
con una frecuencia específica y una amplitud A. Por ende,
tanto la energía potencial como la cinética están asociadas
con el movimiento molecular. Puesto que esta energía
interna se relaciona con lo caliente o frío que está un
cuerpo recibe el nombre de energía térmica.
Contacto térmico y equilibrio térmico.
• Contacto Térmico:
Dos cuerpos están en contacto térmico
entre sí si puede ocurrir un intercambio de
energía entre ellos en la ausencia de
trabajo macroscópico realizado por uno de
ellos sobre el otro. Para comprender el
significado de contacto térmico, basta
imaginar dos objetos situados en un
recipiente aislado de manera que
interactúen entre sí pero no con el medio
ambiente. Si los objetos están a diferentes
temperaturas, entre ellos se intercambia
energía, incluso si no están inicialmente en
contacto físico uno con el otro. Dos
sistemas que están en contacto mecánico
directo o separados mediante una
superficie que permite la transferencia de
calor, se conoce como superficie
diatérmica, y se dice que están en contacto
térmico.
• Equilibrio térmico:
El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos
en contacto térmico dejan de intercambiar energía por el
proceso de calor (energía térmica) ya que los dos
alcanzaron la misma temperatura. Esta definición requiere
además que las propiedades físicas del sistema, que varían
con la temperatura, no cambien con el tiempo.
Contacto térmico y equilibrio térmico.
• Calor:
En física, el calor es una forma de energía asociada al
movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que
forman la materia (energía interna) desde un enfoque
microscópico. La transferencia de energía térmica que se debe
tan sólo a una diferencia de temperatura se define como calor.
Temperatura y ley cero de la termodinámica
La temperatura caracteriza el nivel de energía calorífica de un cuerpo o la capacidad de
éste para transferir calor a otro cuerpo y viene definida operativamente mediante un
criterio de medida. Sin embargo, la ley Cero de la termodinámica, se puede utilizar para
definir la temperatura.
Diferencia entre temperatura y energía térmica.
Es posible que dos objetos se hallen en equilibrio térmico
(igual temperatura) y que tengan diferente energía
térmica. Por ejemplo, considere una jarra de agua y una
taza de agua cada una a 90°C de temperatura. Si se
mezclan, no habrá transferencia de energía, pero la
energía térmica es mucho mayor en la jarra debido a que
contiene mucho mayor número de moléculas. Si
vaciamos el agua de cada recipiente sobre dos bloques
de hielo por separado, como se indica en la figura, se
fundirá más hielo donde se vació el volumen más grande,
lo que indica que tenía más energía térmica.
Ley cero de la termodinámica
Temperatura y ley cero de la termodinámica
"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C,
entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".
Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico
entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se
encuentran en equilibrio térmico entre sí.
Entonces dos cuerpos en equilibrio térmico entre sí se encuentran a la misma temperatura.
Podemos entonces considerar la temperatura como la propiedad que determina si un objeto
está en equilibrio térmico con otros objetos.
Importancia de la temperatura en la conservación de
los alimentos.
Temperatura y ley cero de la termodinámica
La temperatura de los alimentos debe ser controlada para mantener el
crecimiento de los microorganismos alterantes y patógenos bajo control. La
temperatura es importante para garantizar que la calidad de los alimentos no se
vea afectada y que no se eche a perder, sobre todo en verano. Los alimentos
deben mantenerse a la temperatura correcta mientras se almacenan, se
transportan de lugar o se cocina. Si la temperatura no se controla adecuadamente
como las bacterias pueden crecer hasta niveles de riesgo en pocas horas.
La temperatura de los alimentos es un aspecto fundamental a la hora de
determinar la calidad de un producto, ya que si los alimentos no mantienen su
temperatura adecuada es posible que los productos puedan sufrir de alguna
alteración ocasionando un riesgo para la salud. Existen avanzadas tecnologías que
facilitan y garantizan la correcta medición de temperatura de los alimentos.
Gracias a estas tecnologías, se detectan de forma inmediata la temperatura que
tienen los alimentos, adoptando si fuese necesario decisiones que ofrezcan un
cumplimiento de los requerimientos de las ISO-22000. Un inadecuado control de
la temperatura de los alimentos puede provocar riesgos higiénicos
Termómetros y escalas de temperatura
Los termómetros son instrumentos calibrados que se usan para definir y medir
temperaturas, todos están basados en el principio de que alguna propiedad física
de un sistema cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de
esas propiedades son:
• El volumen de un líquido,
• La longitud de un sólido,
• La presión de un gas,
• La resistencia eléctrica de un conductor,
• El color de la luz emitida,
• Entre otras.
Se han construido termómetros para cada una de estas propiedades
termométricas.
La mayor parte
de las sustancias
se dilatan cuando
aumenta su
temperatura, lo
cual deriva en un
cambio en
cualquiera de sus
dimensiones
Termómetros y escalas de temperatura
Los termómetros más comunes constan de una masa de líquido (mercurio o alcohol)
que se expande dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. En este caso
la propiedad física que cambia es el volumen (expansión del mercurio). Cualquier
cambio de temperatura entre los límites del termómetro se puede definir como que
es proporcional al cambio en longitud de la columna del líquido.
Algunos problemas se presentan en los
termómetros como son la calibración para
lecturas extremadamente precisas, lecturas
diferentes en termómetros que usan el
mismo líquido, lo que se debe al diámetro
interior de los tubos capilares y otro
problema adicional es el margen limitado de
temperatura sobre el que se puede usar.
Termómetros y escalas de temperatura
Propiedades termométricas que suelen emplearse
para la fabricación de termómetros
Determinación del valor de la temperatura involucra mediciones indirectas con
instrumentos calibrados llamados termómetros que se basan en la variación de una
propiedad termométrica. Las propiedades termométricas más comunes son:
volumen, presión, resistencia eléctrica y fuerza electromotriz. Así entonces un
termómetro de gas que opera a un volumen constante y cuya propiedad
termométrica es la presión, nos permite determinar la temperatura de cualquier
sistema.
Termómetros y escalas de temperatura
Termómetro de gas a volumen constante.
La propiedad física en
este dispositivo es la
variación de la presión
con la temperatura de
un volumen fijo de gas. Al
calentarse el gas, la
presión aumenta y la
altura de la columna de
mercurio aumenta. Al
enfriarse el gas la presión
disminuye, y la altura de
la columna disminuye.
Entonces se puede definir
la temperatura en
términos del concepto de
presión.
Los experimentos demuestran
que las lecturas en los
termómetros son casi
independientes del tipo de gas
usado (gas-helio, hidrógeno o
nitrógeno), siempre que la
presión del gas sea baja y la
temperatura esté lo
suficientemente arriba del
punto de licuefacción esta
concordancia de todos los
termómetros de gas a bajas
presiones y altas
temperaturas.
Entonces se puede
definir la temperatura
en términos del
concepto de presión.
Termómetros y escalas de temperatura
Gráfica típica de presión contra temperatura tomada con un termómetro de gas de
volumen constante, y pruebas experimentales de presión contra temperatura, en
la que los gases tienen presiones diferentes en un termómetro de gas de volumen
constante
Sí utilizamos cuatro gases distintos cómo pueden
ser el oxígeno, el aire, el hidrógeno y el
nitrógeno, para realizar la medida de, por
ejemplo, la temperatura de ebullición del agua a
1 atm; con el termómetro de gas a volumen
constante como observamos que, en general, las
medidas efectuadas por estos cuatro
termómetros no coinciden, pero que son tanto
más aproximadas a medida que se disminuye la
presión p3, es decir, a medida que reducimos la
cantidad de gas en el dispositivo
Si extrapolamos el valor de p3 = 0,
todos los termómetros de gas nos
indican la misma temperatura, esto
es, las cuatro rectas de la figura
anterior se cortan en un punto 373,15
k; disponemos del término ideal.
Definimos, por tanto como la
temperatura T de los gases ideales por
la ecuación:
La temperatura así definida es
independiente de la naturaleza del gas
particular, aún depende del
comportamiento de los gases como
conjunto y, consecuencia, de la escala
termométrica que de este modo se
define es una escala ligada a la
naturaleza de los gases como estado
de agresión de la materia.
Termómetros y escalas de temperatura
Escala de temperatura Celsius.
Una forma de medir la temperatura, que se usa muy a menudo en el trabajo
científico, se originó a partir de la escala desarrollada por el físico y astrónomo
sueco Anders Celsius (1701-1744). En la escala Celsius se asignó de forma arbitraria
el número 0 al punto de congelación y al número 100 al de ebullición
(originalmente era al contrario pero Linneo la revirtió como es en la actualidad).
Escala de temperatura Fahrenheit.
Otra escala utilizada en los Estados Unidos y a veces en Inglaterra para medir la
temperatura es la Escala Fahrenheit. Fue creada en 1714 por Gabriel Daniel
Fahrenheit, el desarrollo de esta escala se basó en la selección de otros puntos fijos:
Fahrenheit escogió la temperatura de congelación de una solución de agua salada
como su punto fijo inferior y le asignó el número y unidad de 0°F. Para el punto fijo
superior eligió la temperatura del cuerpo humano.
Termómetros y escalas de temperatura
Comparación entre la escala Celsius
y la escala Fahrenheit.
Suponga dos termómetros sin graduar y lo colocamos en una mezcla de hielo y agua, como se
indica en la figura 8. Después de permitir que las columnas de mercurio se estabilicen, marcamos
0°C en uno de los termómetros y 32°F en el otro. A continuación, colocamos los dos termómetros
directamente sobre agua hirviendo, permitiendo que las dos columnas de mercurio se estabilicen
en el punto de vapor y nuevamente marcamos los termómetros uno con 100°C y el otro a 212°F.
Como el nivel de mercurio es igual en ambos termómetros, la única diferencia es la forma en que
están graduados. En la escala Celsius hay 100 divisiones mientras que en la escala Fahrenheit hay
180 divisiones.
Las temperaturas de las escalas
Celsius y Fahrenheit están
relacionadas por:
La temperatura
Fahrenheit se
relaciona con la
temperatura
Celsius a través de
la expresión:
Termómetros y escalas de temperatura
Escala Kelvin:
La escala de temperaturas adoptadas por
el sistema internacional de unidades es la
llamada escala absoluta o Kelvin. En ella
el tamaño de los grados es el mismo que
en la Celsius, pero el cero de la escala se
fija en el -273,15 °C. Este punto llamado
cero absoluto de temperatura es tal que a
dicha temperatura desaparece la agitación
molecular, por lo que, según el significado
de la teoría cinética atribuye a la
magnitud temperatura, no tiene sentido
hablar de valores inferiores a él. El cero
absoluto constituye un límite inferior
natural de temperaturas, lo que hace que
la escala Kelvin no existan temperaturas
bajo cero ( negativas)
Escala Rankine:
Es la escala de temperatura que
se define midiendo en grados
Fahrenheit sobre el cero
absoluto, por lo que carece de
valores negativos. Esta escala
esta propuesta por el físico e
ingeniero escocés William Rankine
en 1859. El grado ranking tiene su
punto de cero absoluto a -459,
67 °F, y los intervalos de grados
son idénticos al intervalo de
grados Fahrenheit.
Cero Rankine (0 R) equivale a -
273,15 °C o 0 R. Para convertir de
grados rankine a Kelvin se multiplica
por un factor de 9/5:
Escala Réaumur:
También conocida como la ‘división
octogesimal”, es una escala de
temperatura donde los puntos de
congelación y ebullición del agua se
establecen en 0 y 80 grados,
respectivamente. El grado Réaumur
(°Ré, °Re, °R) es una unidad de
temperatura en desuso. Este sistema
de temperatura se utiliza en ocasiones
para medir la temperatura de los
almíbares y los caramelos. Un valor de
0°R coresponde al punto de
congelación de agua y 80° R el punto
de ebullición del agua. Por ende, a
diferencia de las escalas de celsius a
Kelvin, la graduación de este intervalo
corresponde a 80°C la regla de
reaumur. Se asemeja a la escala de los
grados celsius en cuanto a qué 0°
Celsius equivale a 0° reaumur
Otras escalas de temperatura
Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura
Termodinámica.
El agua tiene un inusual y complejo
diagrama de fase. A altas temperaturas,
incrementando la presión, primero se
obtiene agua líquida y, a continuación,
agua sólida. A temperaturas más bajas en
virtud de la compresión, el estado líquido
deja de aparecer y el agua pasa
directamente de sólido a gas.
El punto triple del agua,
corresponde a la temperatura y
presión únicas en la que el
agua, el vapor de agua y el
hielo pueden coexistir en
equilibrio, se eligió como una
temperatura de referencia
conveniente y reproducible.
El punto triple del agua ocurre a una temperatura
aproximada de 0.01oC y a una presión de 0.61 kPa
(611.73 Pa ó a 0,006 atmósferas). La temperatura en el
punto triple del agua en la nueva escala se tomó como
273.16 kelvin (273.16K). En esas condiciones, es posible
cambiar el estado de toda la masa de agua a hielo, agua
líquida o vapor arbitrariamente haciendo pequeños
cambios en la presión y la temperatura.
Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura
Termodinámica.
Escala de temperatura termodinámica.
Tal vez se le ha ocurrido que las escalas Celsius y Fahrenheit tienen una seria limitación.
Ni 0°C ni 0°F representan realmente una temperatura de cero. En consecuencia, para
temperaturas mucho más bajas que el punto de congelación resulta una temperatura
negativa.
El kelvin, se define como la fracción 1/273.16 de la diferencia entre el cero absoluto y la
temperatura del punto triple del agua. La temperatura del cero absoluto (0 K) no se
puede alcanzar, aun cuando experimentos de laboratorio que incorporan el enfriamiento
láser han llegado muy cera (la temperatura más baja alcanzada ha sido aproximadamente
1X10-7 K.
La temperatura Celsius, Tc, está desplazada respecto de la escala absoluta (o Kelvin) T en
273.15o, ya que, por definición, el punto triple del agua (273.16 K) corresponde a 0.01
oC. Por lo tanto,
¿Qué le pasaría a un gas si su temperatura pudiera llegar
a 0 k (y no se licuara o solidificara)?
Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura
Termodinámica.
En un resumen útil aproximado de resultados experimentales de las propiedades
observadas de gases reales. No hay más que considerar lo que sucedería si intentamos
bajar la temperatura del gas al cero absoluto; es decir, T= 0 K (o, en Celsius, T= -273,15
°C). En este caso extremo, todo el término de la ecuación en el que está la temperatura
sería cero. Por lo tanto, el término PV también debe ser cero. La presión constante el
volumen se reduciría a cero, lo que no tiene sentido si tenemos una cantidad de gas
distinta a cero.
De hecho, todos los gases reales se vuelven líquidos antes de alcanzar esa temperatura
tanto el experimento como la teoría termodinámica indica que es realmente imposible
enfriar cualquier cosa –gas, líquido o sólido- exactamente a esta temperatura de T = 0
K. Este hecho se conoce como tercera ley de la termodinámica.
Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura
Termodinámica.
Comparación de intervalos de temperatura.
100 grados Celsius representan el mismo intervalo de
temperatura que 180 grados Fahrenheit.
Simbólicamente: 100 C° = 180 F° o 5 C° = 9 F° El
símbolo de grado (°) se coloca después de la C o la F
para hacer énfasis en que los números corresponden a
intervalos de temperatura y no a temperaturas
específicas.
El intervalo sobre la escala Kelvin representa el mismo
cambio de temperatura que el grado Celsius. Por lo
tanto, un intervalo de 5 K es exactamente igual a 5 C°.
Podemos utilizar las ecuaciones anteriores para hallar
una relación entre cambios en temperatura en las
escalas Celsius, Kelvin y Fahrenheit:
De las tres escalas de
temperatura, sólo la escala
Kelvin está basada en un
verdadero valor
cero de temperatura.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
La expansión térmica es una consecuencia del cambio en el promedio de separación entre los átomos
de un cuerpo. Para entender esto se modelan los átomos conectados por medio de resortes rígidos. A
temperaturas ordinarias los átomos en un sólido oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio con
una amplitud aproximada de 10-11m y a una frecuencia de unos 1013 Hz. Cuando aumenta la
temperatura del sólido, los átomos oscilan con mayores amplitudes; por lo tanto el promedio de
separación entre ellos aumenta. En consecuencia, el cuerpo se expande.
Si la expansión térmica es lo
suficientemente pequeña con
respecto a las dimensiones iniciales
de un cuerpo, el cambio en
cualquier dimensión es, una buena
aproximación proporcional a la
primera potencia del cambio de
temperaturas.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Expansión Lineal.
Si tenemos una varilla (Ver figura 12) de longitud Lo a una temperatura inicial To, que se somete a un
cambio de temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL:
Donde α es el coeficiente promedio de dilatación lineal. Puede ser útil pensar en la expansión
térmica como una amplificación fotográfica. De allí que una cavidad en una pieza de material se
expande en la misma forma como si la cavidad estuviera llena con el material.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
La tabla a continuación, es una lista de coeficiente promedio de expansión lineal para varios
materiales. Nótese que para éstos materiales α es positiva, lo cual indica un aumento en
longitud con una temperatura creciente. Esto no es siempre el caso. Algunas sustancias,
como la calcita es un ejemplo, que se expande a lo largo de una dimensión (α positiva) y se
contrae a lo largo de otra (α negativa) cuando sus temperaturas aumentan.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Expansión Volumétrica.
Debido a que las dimensiones lineales de un objeto cambian con la temperatura, se deduce que
también cambian el área superficial y el volumen
El cambio en volumen es proporcional al volumen inicial Vi y al cambio en temperatura de
acuerdo con la relación:
Donde β es el coeficiente promedio de dilatación volumétrica.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Un material es isotrópico si sus propiedades mecánicas y térmicas son las mismas en
todas las direcciones. Por ejemplo, el acero muestra un comportamiento isotrópico,
aunque su estructura microscópica no es homogénea. Un material isotrópico es
altamente moldeable y puede tomar cualquier forma.
Dando que las propiedades de sus microcomponentes son las mismas en cualquier
orientación, su comportamiento también es altamente predecible. Los metales, los
vidrios, la mayoría de los líquidos y los polímeros son ejemplos de material isotrópicos.
¿Qué es un material isotrópico?
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Expansión superficial.
Dilatación en el área de una placa rectangular. Nótese que β α
Como se indicó, cada material tiene
su propio coeficiente promedio de
expansión característico. Por
ejemplo, cuando las temperaturas de
una barra de latón y una barra de
acero de igual longitud se elevan en
la misma cantidad desde algún valor
inicial común, la barra de latón se
expande más que la barra de acero,
porque el latón tiene un mayor
coeficiente promedio de expansión
que el acero.
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Al aumentar la temperatura, se dilatara cualquier magnitud lineal del mismo. Como la longitud del
polímero es igual a “2p radio”, los aumentos de longitud de los polímeros exterior e interior del
orificio están asociados a sendos aumentos de sus radios exterior e interior, respectivamente. Por lo
tanto, al calentar el orificio aumentará el radio de su agujero.También podemos razonar pensando
en la dilatación de un círculo macizo.
Si los subdividimos mentalmente es un círculo central rodeado por una corona exterior podemos
considerar que el círculo completo dilatado se obtiene como la suma del círculo interior dilatado
más la corona exterior dilatada. Esta última (que sería el equivalente del orificio) se debe de
dilatar aumentado sus radios exterior e interior, pues si el hueco central no aumentará, no cubriría
el círculo interior dilatado.
¿Qué le sucede al orificio de una arandela al aumentar su
temperatura?
Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica
de sólidos y Líquidos)
Dilatación en líquidos.
La dilatación en líquidos es similar a la dilatación cúbica de los sólidos (el líquido carece
de forma propia y sus dimensiones dependen del recipiente que lo contiene), por lo
tanto depende del incremento de la temperatura y de la naturaleza del líquido.
En los líquidos existen dos tipos de dilatación. Una dilatación aparente que depende de
la dilatación del recipiente que lo contiene que también se dilata, y la dilatación
verdadera que es la suma de la dilatación aparente más la del recipiente.
Dilatación anómala del agua
La dilatación anómala cuando el agua se congela, se dilata. Es decir, aumenta de
volumen, una masa de hielo tiene mayor volumen que la misma masa de agua y es así
como se le llama dilatación anómala del agua. A temperatura ambiente, el agua se dilata
cuando la temperatura sube y se contrae cuando baja
Descripción Macroscópica De Un Gas Ideal
La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas. En los sólidos,
las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son
fijas. En los líquidos, las distancias entre las moléculas son fijas, pero su
orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre
moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las
mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan
principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son
más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos.
El gas contenido en un recipiente, está formado por un número muy grande de
moléculas, 6.02x1023 moléculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta
describir un sistema con un número tan grande de partículas resulta inútil (e
imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que
mediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una
masa de gas, presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su
temperatura. Estas cantidades físicas se denominan macroscópicas (conjunto de
materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito
e imperturbable), en el sentido de que no se refieren al movimiento individual de
cada partícula, sino del sistema en su conjunto.
Descripción Macroscópica De Un Gas Ideal
Gas ideal.
Un gas ideal, es un gas de muy baja densidad. La temperatura es lo
suficientemente alta y la presión lo suficientemente baja para que el gas no se
condense en líquido.
Ecuación de estado para un gas ideal.
Supongamos que un gas ideal está confinado a un recipiente cilíndrico cuyo
volumen puede hacerse variar por medio de un émbolo móvil. Si suponemos que el
cilindro no tiene fugas, la masa del gas permanece constante. Para este sistema,
experimentos realizados dan la siguiente información:
1. Cuando el gas se mantiene a
temperatura constante, su
presión es inversamente
proporcional a su volumen (Ley
de Boyle).
2. Cuando la presión del gas se
mantiene constante, su volumen
es directamente proporcional a
su temperatura (Ley de Charles y
Gay-Lussac)
Estas observaciones
están resumidas por
la ecuación de
estado para un gas
ideal o Ley de un
gas ideal
Constante De Boltzmann
La Ley de un gas ideal se expresa a veces en términos del número total de moléculas N,
debido a que el número total de moléculas es igual al producto del número de moles y el
número de Avogadro NA, entonces se puede escribir la ecuación de estado de un gas ideal
de la siguiente manera:
Donde es la constante de Boltzmann, que tiene el valor de:
Es común llamar cantidades como P, V y T las variables termodinámicas de un gas ideal.
Si la ecuación de estado se conoce, entonces una de las variables siempre puede
expresarse como función de las otras dos.

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  • 1. Universidad de Oriente Núcleo Monagas Escuela de Zootecnia Tecnología de los Alimentos Temperatura, Ley Cero De La Termodinámica Y Gases Ideales Profesora: Nereyasmi Sifuentes Bachilleres: María Cabello 30.037.180 Humberto Carmona 30.440.130
  • 2. CONTENIDO: 1. Contacto térmico y equilibrio térmico. 2. Temperatura y ley cero de la termodinámica. 3. Termómetros y escalas de temperatura. 4. Punto triple del agua y la escala de temperatura termodinámica. 5. Dilatación térmica de sólidos y líquidos: Coeficiente promedio de dilatación lineal, coeficiente promedio de expansión volumétrica. 6. Descripción macroscópica de un gas ideal. 7. Constante de Boltzmann.
  • 3. La termodinámica se conoce como el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinámicas, propiedades medibles como: Contacto térmico y equilibrio térmico. La temperatura La presión El volumen Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables, como: • La densidad • El calor específico • La compresibilidad • El coeficiente de expansión térmica Con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico.
  • 4. Una de estas propiedades medibles como la temperatura requiere de su comprensión desde niveles más básicos por medio de los cuales estamos acostumbrados a sentirla, hasta niveles más profundos cuya definición se apoya en el enunciado de la ley cero de la termodinámica. Con el fin de comprender el concepto de temperatura, es útil definir en primer lugar los siguientes términos: Contacto térmico y equilibrio térmico. • Energía térmica: Representa la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías potencial y cinética molecular. Las moléculas individuales se encuentran unidas por medio de fuerzas elásticas análogas a los resortes de la figura. Estas moléculas oscilan respecto a sus posiciones de equilibrio, con una frecuencia específica y una amplitud A. Por ende, tanto la energía potencial como la cinética están asociadas con el movimiento molecular. Puesto que esta energía interna se relaciona con lo caliente o frío que está un cuerpo recibe el nombre de energía térmica.
  • 5. Contacto térmico y equilibrio térmico. • Contacto Térmico: Dos cuerpos están en contacto térmico entre sí si puede ocurrir un intercambio de energía entre ellos en la ausencia de trabajo macroscópico realizado por uno de ellos sobre el otro. Para comprender el significado de contacto térmico, basta imaginar dos objetos situados en un recipiente aislado de manera que interactúen entre sí pero no con el medio ambiente. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía, incluso si no están inicialmente en contacto físico uno con el otro. Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor, se conoce como superficie diatérmica, y se dice que están en contacto térmico.
  • 6. • Equilibrio térmico: El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía por el proceso de calor (energía térmica) ya que los dos alcanzaron la misma temperatura. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Contacto térmico y equilibrio térmico. • Calor: En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia (energía interna) desde un enfoque microscópico. La transferencia de energía térmica que se debe tan sólo a una diferencia de temperatura se define como calor.
  • 7. Temperatura y ley cero de la termodinámica La temperatura caracteriza el nivel de energía calorífica de un cuerpo o la capacidad de éste para transferir calor a otro cuerpo y viene definida operativamente mediante un criterio de medida. Sin embargo, la ley Cero de la termodinámica, se puede utilizar para definir la temperatura. Diferencia entre temperatura y energía térmica. Es posible que dos objetos se hallen en equilibrio térmico (igual temperatura) y que tengan diferente energía térmica. Por ejemplo, considere una jarra de agua y una taza de agua cada una a 90°C de temperatura. Si se mezclan, no habrá transferencia de energía, pero la energía térmica es mucho mayor en la jarra debido a que contiene mucho mayor número de moléculas. Si vaciamos el agua de cada recipiente sobre dos bloques de hielo por separado, como se indica en la figura, se fundirá más hielo donde se vació el volumen más grande, lo que indica que tenía más energía térmica.
  • 8. Ley cero de la termodinámica Temperatura y ley cero de la termodinámica "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. Entonces dos cuerpos en equilibrio térmico entre sí se encuentran a la misma temperatura. Podemos entonces considerar la temperatura como la propiedad que determina si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos.
  • 9. Importancia de la temperatura en la conservación de los alimentos. Temperatura y ley cero de la termodinámica La temperatura de los alimentos debe ser controlada para mantener el crecimiento de los microorganismos alterantes y patógenos bajo control. La temperatura es importante para garantizar que la calidad de los alimentos no se vea afectada y que no se eche a perder, sobre todo en verano. Los alimentos deben mantenerse a la temperatura correcta mientras se almacenan, se transportan de lugar o se cocina. Si la temperatura no se controla adecuadamente como las bacterias pueden crecer hasta niveles de riesgo en pocas horas. La temperatura de los alimentos es un aspecto fundamental a la hora de determinar la calidad de un producto, ya que si los alimentos no mantienen su temperatura adecuada es posible que los productos puedan sufrir de alguna alteración ocasionando un riesgo para la salud. Existen avanzadas tecnologías que facilitan y garantizan la correcta medición de temperatura de los alimentos. Gracias a estas tecnologías, se detectan de forma inmediata la temperatura que tienen los alimentos, adoptando si fuese necesario decisiones que ofrezcan un cumplimiento de los requerimientos de las ISO-22000. Un inadecuado control de la temperatura de los alimentos puede provocar riesgos higiénicos
  • 10. Termómetros y escalas de temperatura Los termómetros son instrumentos calibrados que se usan para definir y medir temperaturas, todos están basados en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades son: • El volumen de un líquido, • La longitud de un sólido, • La presión de un gas, • La resistencia eléctrica de un conductor, • El color de la luz emitida, • Entre otras. Se han construido termómetros para cada una de estas propiedades termométricas. La mayor parte de las sustancias se dilatan cuando aumenta su temperatura, lo cual deriva en un cambio en cualquiera de sus dimensiones
  • 11. Termómetros y escalas de temperatura Los termómetros más comunes constan de una masa de líquido (mercurio o alcohol) que se expande dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. En este caso la propiedad física que cambia es el volumen (expansión del mercurio). Cualquier cambio de temperatura entre los límites del termómetro se puede definir como que es proporcional al cambio en longitud de la columna del líquido. Algunos problemas se presentan en los termómetros como son la calibración para lecturas extremadamente precisas, lecturas diferentes en termómetros que usan el mismo líquido, lo que se debe al diámetro interior de los tubos capilares y otro problema adicional es el margen limitado de temperatura sobre el que se puede usar.
  • 12. Termómetros y escalas de temperatura Propiedades termométricas que suelen emplearse para la fabricación de termómetros Determinación del valor de la temperatura involucra mediciones indirectas con instrumentos calibrados llamados termómetros que se basan en la variación de una propiedad termométrica. Las propiedades termométricas más comunes son: volumen, presión, resistencia eléctrica y fuerza electromotriz. Así entonces un termómetro de gas que opera a un volumen constante y cuya propiedad termométrica es la presión, nos permite determinar la temperatura de cualquier sistema.
  • 13. Termómetros y escalas de temperatura Termómetro de gas a volumen constante. La propiedad física en este dispositivo es la variación de la presión con la temperatura de un volumen fijo de gas. Al calentarse el gas, la presión aumenta y la altura de la columna de mercurio aumenta. Al enfriarse el gas la presión disminuye, y la altura de la columna disminuye. Entonces se puede definir la temperatura en términos del concepto de presión. Los experimentos demuestran que las lecturas en los termómetros son casi independientes del tipo de gas usado (gas-helio, hidrógeno o nitrógeno), siempre que la presión del gas sea baja y la temperatura esté lo suficientemente arriba del punto de licuefacción esta concordancia de todos los termómetros de gas a bajas presiones y altas temperaturas. Entonces se puede definir la temperatura en términos del concepto de presión.
  • 14. Termómetros y escalas de temperatura Gráfica típica de presión contra temperatura tomada con un termómetro de gas de volumen constante, y pruebas experimentales de presión contra temperatura, en la que los gases tienen presiones diferentes en un termómetro de gas de volumen constante Sí utilizamos cuatro gases distintos cómo pueden ser el oxígeno, el aire, el hidrógeno y el nitrógeno, para realizar la medida de, por ejemplo, la temperatura de ebullición del agua a 1 atm; con el termómetro de gas a volumen constante como observamos que, en general, las medidas efectuadas por estos cuatro termómetros no coinciden, pero que son tanto más aproximadas a medida que se disminuye la presión p3, es decir, a medida que reducimos la cantidad de gas en el dispositivo Si extrapolamos el valor de p3 = 0, todos los termómetros de gas nos indican la misma temperatura, esto es, las cuatro rectas de la figura anterior se cortan en un punto 373,15 k; disponemos del término ideal. Definimos, por tanto como la temperatura T de los gases ideales por la ecuación: La temperatura así definida es independiente de la naturaleza del gas particular, aún depende del comportamiento de los gases como conjunto y, consecuencia, de la escala termométrica que de este modo se define es una escala ligada a la naturaleza de los gases como estado de agresión de la materia.
  • 15. Termómetros y escalas de temperatura Escala de temperatura Celsius. Una forma de medir la temperatura, que se usa muy a menudo en el trabajo científico, se originó a partir de la escala desarrollada por el físico y astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744). En la escala Celsius se asignó de forma arbitraria el número 0 al punto de congelación y al número 100 al de ebullición (originalmente era al contrario pero Linneo la revirtió como es en la actualidad). Escala de temperatura Fahrenheit. Otra escala utilizada en los Estados Unidos y a veces en Inglaterra para medir la temperatura es la Escala Fahrenheit. Fue creada en 1714 por Gabriel Daniel Fahrenheit, el desarrollo de esta escala se basó en la selección de otros puntos fijos: Fahrenheit escogió la temperatura de congelación de una solución de agua salada como su punto fijo inferior y le asignó el número y unidad de 0°F. Para el punto fijo superior eligió la temperatura del cuerpo humano.
  • 16. Termómetros y escalas de temperatura Comparación entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit. Suponga dos termómetros sin graduar y lo colocamos en una mezcla de hielo y agua, como se indica en la figura 8. Después de permitir que las columnas de mercurio se estabilicen, marcamos 0°C en uno de los termómetros y 32°F en el otro. A continuación, colocamos los dos termómetros directamente sobre agua hirviendo, permitiendo que las dos columnas de mercurio se estabilicen en el punto de vapor y nuevamente marcamos los termómetros uno con 100°C y el otro a 212°F. Como el nivel de mercurio es igual en ambos termómetros, la única diferencia es la forma en que están graduados. En la escala Celsius hay 100 divisiones mientras que en la escala Fahrenheit hay 180 divisiones. Las temperaturas de las escalas Celsius y Fahrenheit están relacionadas por: La temperatura Fahrenheit se relaciona con la temperatura Celsius a través de la expresión:
  • 17. Termómetros y escalas de temperatura Escala Kelvin: La escala de temperaturas adoptadas por el sistema internacional de unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el -273,15 °C. Este punto llamado cero absoluto de temperatura es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado de la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero ( negativas) Escala Rankine: Es la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala esta propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859. El grado ranking tiene su punto de cero absoluto a -459, 67 °F, y los intervalos de grados son idénticos al intervalo de grados Fahrenheit. Cero Rankine (0 R) equivale a - 273,15 °C o 0 R. Para convertir de grados rankine a Kelvin se multiplica por un factor de 9/5: Escala Réaumur: También conocida como la ‘división octogesimal”, es una escala de temperatura donde los puntos de congelación y ebullición del agua se establecen en 0 y 80 grados, respectivamente. El grado Réaumur (°Ré, °Re, °R) es una unidad de temperatura en desuso. Este sistema de temperatura se utiliza en ocasiones para medir la temperatura de los almíbares y los caramelos. Un valor de 0°R coresponde al punto de congelación de agua y 80° R el punto de ebullición del agua. Por ende, a diferencia de las escalas de celsius a Kelvin, la graduación de este intervalo corresponde a 80°C la regla de reaumur. Se asemeja a la escala de los grados celsius en cuanto a qué 0° Celsius equivale a 0° reaumur Otras escalas de temperatura
  • 18. Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura Termodinámica. El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase. A altas temperaturas, incrementando la presión, primero se obtiene agua líquida y, a continuación, agua sólida. A temperaturas más bajas en virtud de la compresión, el estado líquido deja de aparecer y el agua pasa directamente de sólido a gas. El punto triple del agua, corresponde a la temperatura y presión únicas en la que el agua, el vapor de agua y el hielo pueden coexistir en equilibrio, se eligió como una temperatura de referencia conveniente y reproducible. El punto triple del agua ocurre a una temperatura aproximada de 0.01oC y a una presión de 0.61 kPa (611.73 Pa ó a 0,006 atmósferas). La temperatura en el punto triple del agua en la nueva escala se tomó como 273.16 kelvin (273.16K). En esas condiciones, es posible cambiar el estado de toda la masa de agua a hielo, agua líquida o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura.
  • 19. Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura Termodinámica. Escala de temperatura termodinámica. Tal vez se le ha ocurrido que las escalas Celsius y Fahrenheit tienen una seria limitación. Ni 0°C ni 0°F representan realmente una temperatura de cero. En consecuencia, para temperaturas mucho más bajas que el punto de congelación resulta una temperatura negativa. El kelvin, se define como la fracción 1/273.16 de la diferencia entre el cero absoluto y la temperatura del punto triple del agua. La temperatura del cero absoluto (0 K) no se puede alcanzar, aun cuando experimentos de laboratorio que incorporan el enfriamiento láser han llegado muy cera (la temperatura más baja alcanzada ha sido aproximadamente 1X10-7 K. La temperatura Celsius, Tc, está desplazada respecto de la escala absoluta (o Kelvin) T en 273.15o, ya que, por definición, el punto triple del agua (273.16 K) corresponde a 0.01 oC. Por lo tanto,
  • 20. ¿Qué le pasaría a un gas si su temperatura pudiera llegar a 0 k (y no se licuara o solidificara)? Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura Termodinámica. En un resumen útil aproximado de resultados experimentales de las propiedades observadas de gases reales. No hay más que considerar lo que sucedería si intentamos bajar la temperatura del gas al cero absoluto; es decir, T= 0 K (o, en Celsius, T= -273,15 °C). En este caso extremo, todo el término de la ecuación en el que está la temperatura sería cero. Por lo tanto, el término PV también debe ser cero. La presión constante el volumen se reduciría a cero, lo que no tiene sentido si tenemos una cantidad de gas distinta a cero. De hecho, todos los gases reales se vuelven líquidos antes de alcanzar esa temperatura tanto el experimento como la teoría termodinámica indica que es realmente imposible enfriar cualquier cosa –gas, líquido o sólido- exactamente a esta temperatura de T = 0 K. Este hecho se conoce como tercera ley de la termodinámica.
  • 21. Punto Triple Del Agua Y La Escala De Temperatura Termodinámica. Comparación de intervalos de temperatura. 100 grados Celsius representan el mismo intervalo de temperatura que 180 grados Fahrenheit. Simbólicamente: 100 C° = 180 F° o 5 C° = 9 F° El símbolo de grado (°) se coloca después de la C o la F para hacer énfasis en que los números corresponden a intervalos de temperatura y no a temperaturas específicas. El intervalo sobre la escala Kelvin representa el mismo cambio de temperatura que el grado Celsius. Por lo tanto, un intervalo de 5 K es exactamente igual a 5 C°. Podemos utilizar las ecuaciones anteriores para hallar una relación entre cambios en temperatura en las escalas Celsius, Kelvin y Fahrenheit: De las tres escalas de temperatura, sólo la escala Kelvin está basada en un verdadero valor cero de temperatura.
  • 22. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) La expansión térmica es una consecuencia del cambio en el promedio de separación entre los átomos de un cuerpo. Para entender esto se modelan los átomos conectados por medio de resortes rígidos. A temperaturas ordinarias los átomos en un sólido oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio con una amplitud aproximada de 10-11m y a una frecuencia de unos 1013 Hz. Cuando aumenta la temperatura del sólido, los átomos oscilan con mayores amplitudes; por lo tanto el promedio de separación entre ellos aumenta. En consecuencia, el cuerpo se expande. Si la expansión térmica es lo suficientemente pequeña con respecto a las dimensiones iniciales de un cuerpo, el cambio en cualquier dimensión es, una buena aproximación proporcional a la primera potencia del cambio de temperaturas.
  • 23. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Expansión Lineal. Si tenemos una varilla (Ver figura 12) de longitud Lo a una temperatura inicial To, que se somete a un cambio de temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL: Donde α es el coeficiente promedio de dilatación lineal. Puede ser útil pensar en la expansión térmica como una amplificación fotográfica. De allí que una cavidad en una pieza de material se expande en la misma forma como si la cavidad estuviera llena con el material.
  • 24. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) La tabla a continuación, es una lista de coeficiente promedio de expansión lineal para varios materiales. Nótese que para éstos materiales α es positiva, lo cual indica un aumento en longitud con una temperatura creciente. Esto no es siempre el caso. Algunas sustancias, como la calcita es un ejemplo, que se expande a lo largo de una dimensión (α positiva) y se contrae a lo largo de otra (α negativa) cuando sus temperaturas aumentan.
  • 25. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Expansión Volumétrica. Debido a que las dimensiones lineales de un objeto cambian con la temperatura, se deduce que también cambian el área superficial y el volumen El cambio en volumen es proporcional al volumen inicial Vi y al cambio en temperatura de acuerdo con la relación: Donde β es el coeficiente promedio de dilatación volumétrica.
  • 26. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Un material es isotrópico si sus propiedades mecánicas y térmicas son las mismas en todas las direcciones. Por ejemplo, el acero muestra un comportamiento isotrópico, aunque su estructura microscópica no es homogénea. Un material isotrópico es altamente moldeable y puede tomar cualquier forma. Dando que las propiedades de sus microcomponentes son las mismas en cualquier orientación, su comportamiento también es altamente predecible. Los metales, los vidrios, la mayoría de los líquidos y los polímeros son ejemplos de material isotrópicos. ¿Qué es un material isotrópico?
  • 27. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Expansión superficial. Dilatación en el área de una placa rectangular. Nótese que β α Como se indicó, cada material tiene su propio coeficiente promedio de expansión característico. Por ejemplo, cuando las temperaturas de una barra de latón y una barra de acero de igual longitud se elevan en la misma cantidad desde algún valor inicial común, la barra de latón se expande más que la barra de acero, porque el latón tiene un mayor coeficiente promedio de expansión que el acero.
  • 28. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Al aumentar la temperatura, se dilatara cualquier magnitud lineal del mismo. Como la longitud del polímero es igual a “2p radio”, los aumentos de longitud de los polímeros exterior e interior del orificio están asociados a sendos aumentos de sus radios exterior e interior, respectivamente. Por lo tanto, al calentar el orificio aumentará el radio de su agujero.También podemos razonar pensando en la dilatación de un círculo macizo. Si los subdividimos mentalmente es un círculo central rodeado por una corona exterior podemos considerar que el círculo completo dilatado se obtiene como la suma del círculo interior dilatado más la corona exterior dilatada. Esta última (que sería el equivalente del orificio) se debe de dilatar aumentado sus radios exterior e interior, pues si el hueco central no aumentará, no cubriría el círculo interior dilatado. ¿Qué le sucede al orificio de una arandela al aumentar su temperatura?
  • 29. Dilatación de sólidos y líquidos. (Expansión térmica de sólidos y Líquidos) Dilatación en líquidos. La dilatación en líquidos es similar a la dilatación cúbica de los sólidos (el líquido carece de forma propia y sus dimensiones dependen del recipiente que lo contiene), por lo tanto depende del incremento de la temperatura y de la naturaleza del líquido. En los líquidos existen dos tipos de dilatación. Una dilatación aparente que depende de la dilatación del recipiente que lo contiene que también se dilata, y la dilatación verdadera que es la suma de la dilatación aparente más la del recipiente. Dilatación anómala del agua La dilatación anómala cuando el agua se congela, se dilata. Es decir, aumenta de volumen, una masa de hielo tiene mayor volumen que la misma masa de agua y es así como se le llama dilatación anómala del agua. A temperatura ambiente, el agua se dilata cuando la temperatura sube y se contrae cuando baja
  • 30. Descripción Macroscópica De Un Gas Ideal La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas. En los sólidos, las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas. En los líquidos, las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos. El gas contenido en un recipiente, está formado por un número muy grande de moléculas, 6.02x1023 moléculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta describir un sistema con un número tan grande de partículas resulta inútil (e imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que mediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una masa de gas, presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su temperatura. Estas cantidades físicas se denominan macroscópicas (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable), en el sentido de que no se refieren al movimiento individual de cada partícula, sino del sistema en su conjunto.
  • 31. Descripción Macroscópica De Un Gas Ideal Gas ideal. Un gas ideal, es un gas de muy baja densidad. La temperatura es lo suficientemente alta y la presión lo suficientemente baja para que el gas no se condense en líquido. Ecuación de estado para un gas ideal. Supongamos que un gas ideal está confinado a un recipiente cilíndrico cuyo volumen puede hacerse variar por medio de un émbolo móvil. Si suponemos que el cilindro no tiene fugas, la masa del gas permanece constante. Para este sistema, experimentos realizados dan la siguiente información: 1. Cuando el gas se mantiene a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional a su volumen (Ley de Boyle). 2. Cuando la presión del gas se mantiene constante, su volumen es directamente proporcional a su temperatura (Ley de Charles y Gay-Lussac) Estas observaciones están resumidas por la ecuación de estado para un gas ideal o Ley de un gas ideal
  • 32. Constante De Boltzmann La Ley de un gas ideal se expresa a veces en términos del número total de moléculas N, debido a que el número total de moléculas es igual al producto del número de moles y el número de Avogadro NA, entonces se puede escribir la ecuación de estado de un gas ideal de la siguiente manera: Donde es la constante de Boltzmann, que tiene el valor de: Es común llamar cantidades como P, V y T las variables termodinámicas de un gas ideal. Si la ecuación de estado se conoce, entonces una de las variables siempre puede expresarse como función de las otras dos.