Material CONDUCTOR: (metales) es un material que permite la interacción térmica.

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1 CALOR Y TEMPERATURA El conceto de temeratura se origina en las ideas cualitativas de caliente y frío basadas en el sentido del tacto. Un cuero que se siente caliente suele tener una temeratura más alta que un cuero similar que se siente frío. La temeratura también se relaciona a las energías cinéticas de las moléculas de un material (definición microscóica). Emezamos con una definición macroscóica de la temeratura. Para usar la temeratura como medida de calidez o frialdad, necesitamos construir una escala de temeratura y un TERMÓMETRO (usando cualquier roiedad medible que varíe con la calidez o frialdad del sistema, como la exansión de un material, la resistencia eléctrica, la resión). Para medir la temeratura de un cuero se coloca el termómetro en contacto con él. Una vez que el termómetro se estabiliza se lee la temeratura. El sistema está en una condición de EQUILIBRIO TÉRMICO.

2 Material AISLANTE: (madera, esuma de lástico..) es un material que no ermite la interacción entre los sistemas y evita que alcancen el equilibrio térmico si no estaban en él inicialmente. Material CONDUCTOR: (metales) es un material que ermite la interacción térmica. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA: Si un sistema C inicialmente está en equilibrio térmico con un sistema A y un sistema B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Si el sistema C es un termómetro en contacto con los sistemas A y B y está en equilibrio térmico con ellos, entonces A y B tienen la misma temeratura. Dos sistemas están en equilibrio térmico si y sólo si tienen la misma temeratura.

3 TERMÓMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURA Para construir un termómetro se necesita una escala numerada de temeratura. Escala de temeratura Celsius Nivel : temeratura de congelación del agua ura Nivel 1: temeratura de ebullición 1 Grados Celsius entre los dos niveles Escala de temeratura Fahrenheit Nivel 32: temeratura de congelación del agua ura Nivel 212:temeratura de ebullición del agua 18 grados Fahrenheit entre los dos niveles 1 o F es solo 1/18 (5/9) de 1 o C T T F C 9 = TC 5 5 = ( T 9 F )

4 TERMÓMETRO DE GAS Y LA ESCALA KELVIN Cuando calibramos dos termómetros, como un sistema de líquido en un tubo o un termómetro de resistencia eléctrica, de modo que coincidan en o C y 1 o C, odrían no coincidir exactamente a temeraturas intermedias. Cualquier escala de temeratura siemre deende de las roiedades esecíficas del material emleado. Nos gustaría definir una escala de temeraturas que NO deenda del material emleado en el termómetro. En termodinámica veremos como se uede lograr esto, ahora veremos un termómetro que se acerca al ideal, el TERMÓMETRO DE GAS. La resión de un gas a volumen constante aumenta con la temeratura. Se coloca un cantidad de gas en un reciiente de volumen constante y se mide su resión. Para calibrar el termómetro, medimos la resión dos temeraturas, como o C y 1 o C. Graficamos estos untos y trazamos una línea recta entre ellos.

5 Las 3 líneas corresonden a 3 gases diferentes T ( o C) T (K) Si extraolamos la línea, vemos que hay una temeratura ( o C) en la que la resión es ara cada gas. No se uede llegar realmente a esta temeratura. Usamos la temeratura como cero de una escala de temeratura nueva, la escala de temeratura Kelvin: T K = T C

6 Podemos definir la escala Kelvin usando un termómetro de gas con sólo una temeratura de referencia. Definimos el cociente de cualesquier dos temeraturas T 1 y T 2 en la escala Kelvin como el cociente de las resiones corresondientes de termómetro de gas: T 2 = T Sólo necesitamos esecificar la temeratura Kelvin de un solo estado esecífico. El estado escogido es el PUNTO TRIPLE del agua, que es una combinación única de temeratura y ersión en la que ueden coexistir agua sólida, líquida y vaor de agua. Esto ocurre a.1 o C con una resión de vaor de agua de 61 Pa. La temeratura del unto trile es, or definición, T t = K que corresonde a.1 o C. Si t es la resión del unto trile y la resión a temeratura T, entonces: T = Tt = t La escala Kelvin se denomina escala de temeratura absoluta y su cero cero absoluto. En el cero absoluto un sistema de moléculas tiene su energía total mínima osible. t

7 EXPANSIÓN TÉRMICA Casi todos los materiales se exanden al aumentar su temeratura. El aumento en la temeratura hace que el líquido se exanda en los termómetros de líquido en un tubo. Esto es un ejemlo de exansión térmica. EXPANSIÓN LINEAL Suonga que una varilla tiene longitud L a una temeratura inicial T. Si la temeratura cambia en T, la longitud cambia en L. Se observa exerimentalmente que se T no es muy grande (menos que 1 o C), L es directamente roorcional a T. El cambio de longitud también es roorcional a la longitud L : L= αl T La longitud L a T=T + T es: L= L (1 + L= L + αl T = L + α T) α = coeficiente de exansión lineal (K -1 )

8 EXPANSIÓN DE VOLUMEN Un aumento de temeratura suele aumentar el volumen de materiales tanto líquidos como sólidos. Si el cambio de temeratura T no es muy grande (menos que 1 o C), el aumento de volumen V es roorcional al T y al volumen inicial V : V = βv T β=coeficiente de exansión de volumen (K -1 ) Para materiales sólidos, hay una relación sencilla entre el coeficiente de exansión de volumen β y el coeficiente de exansión lineal α. Consideramos un cubo de lado L y volumen V=L 3. En la temeratura inicial los valores son L y V. Al aumentar la temeratura en dt, la longitud aumenta en dl y el volumen en dv: dv dv = dl dl dl= αldt dv 2 = 3LαL 2 = 3LdL V dt = L 3 = 3αV dt β = 3α

9 EJ Un evaluador usa una cinta métrica de acero que tiene exactamente 5 m de longitud a 2 o C. Qué longitud tiene en un caluroso día de verano en el que la temeratura en de 35 o C? (α= K -1 ) El cambio de temeratura es T=T-T =(35-2) o C=15 o C: 5 1 L= αl T = (1.2 1 K )(5m)(15K) = 91 L= L + L=5. 9m 3 m

10 EJ Un frasco de vidrio de 2 cm 3 se llena al borde con mercurio a 2 o C. Cuánto mercurio se desborda si la temeratura del sistema se eleva a 1 o C? El coeficiente de exansión lineal del vidrio es K -1, el coeficiente de exansión de volumen del mercurio es K = 3 = 3(.4 1 K ) = 1.21 K β vidrio α vidrio β mercurio 5 = 181 K 1 1 El aumento de volumen del frasco es: V V vidrio vidrio = β T = 1.21 K )(2cm )(1K 2K) =. 19 El aumento de volumen del mercurio es: V V mercurio ( cm mercurio = β T = 181 K )(2cm )(1K 2K) = 2. 9 El volumen de mercurio que desborda es: ( cm 3 3 Vmercurio Vvidrio = 2.7cm 3

11 EXPANSIÓN TÉRMICA DEL AGUA El agua, en el intervalo de temeraturas de o C a 4 o C, se contrae al aumentar la temeratura y su coeficiente β es negativo. Por arriba de 4 o C, el agua se exande al calentarse y tiene su mayor densidad a 4 o C. El agua también se exande al congelarse. Este comortamiento anómalo del agua tiene un efecto imortante sobre la vida vegetal y animal en los lagos. Un lago se enfría de la suerficie hacia abajo. Por arriba de 4 o C, el agua enfriada se hunde or su mayor densidad. En cambio, cuando la temeratura suerficial baja de 4 o C, el agua cerca de la suerficie es menos densa que la de abajo, que es más caliente, el flujo hacia abajo cesa. Al congelarse la suerficie, el hielo flota orque es menos denso que el agua. El agua en el fondo sigue a 4 o C.

12 17.9 Convierta las siguientes temeraturas récord a la escala Kelvin: a) La temeratura más baja registrada en los 48 contiguos de EE.UU. -7 o F b) La temeratura más alta registrada en Australia 127F c) La temeratura más baja registrada en el hemisferio norte -9 o F 5 TK = ( TF 32) a) Tk = ( 7 32) = K 9 5 b) TK = (127 32) = 325.9K 9 5 c) TK = ( 9 32) = 25.4K 9

13 17.13 Un termómetro de gas registró una resión absoluta corresondiente a 325 mm de mercurio, estando en contacto con agua en el unto trile. Qué resión indicará en contacto con agua en el unto de ebullición normal? T = Tt = t t T = t K K = (325) mmhg K = 444mmHg

14 17.16 El avión suersónico Concorde (hecho rincialmente de aluminio) tenía 62.1 m de longitud en la ista en un día ordinario (15 o C). Volando al doble de la velocidad del sonido, la fricción con el aire calienta la suerficie del Concorde y alarga al avión 25 cm. Qué temeratura tiene la suerficie del Concorde en vuelo?(α= o C -1 ) T T L = αl = T = C + T = 183 C 1 2 m (62.1m) = 168 o C

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