Calor y temperatura. Termómetros: son instrumentos utilizados para medir la temperatura.

Transcripción

1 Calor y temperatura Fuente: Capítulos 12, 13 y 14 del libro de texto, Hecht, Vol I. 1. DEFINICIONES L a física térmica estudia la temperatura, la transferencia y transformación de la energía interna que se almacena por el movimiento y la interacción de los átomos de un sistema Temperatura: es una medida del grado de calor, es decir, el nivel de agitación de los átomos de la materia. Es una cantidad física fundamental. A mayor agitación, o energía interna, mayor temperatura. La temperatura se mide con termómetros (o termógrafos). Termómetros: son instrumentos utilizados para medir la temperatura. 2. ESCALAS DE TEMPERATURA Se han definido al menos tres escalas de temperatura: a) escala Fahrenheit, b) escala Celcius y c) Escala Kelvin. Escala de temperatura Fahrenheit: en esta escala, la temperatura de agua congelada es 32 F (grados Fahrenheit) y el agua hervirá a 212 F. La temperatura corporal es F. La escala contiene 180 divisiones entre 32 F a 212 F. Escala de temperatura Celcius ( C): En esta escala la temperatura del agua congelada es de 0 C y el agua hervirá a 100 C. La temperatura corporal de 37 C. La escala tiene 100 divisiones entre 0 y 100 C. Escala de temperatura absoluta Kelvin. (K). En la escala de temperatura termodinámica o absoluta el límite absoluto de temperatura baja es 0 K (denominado cero absoluto). En el SI se define 1 K como 1/ de la temperatura del punto triple del agua. El tamaño del Kelvin es igual al del grado Celsius. Cero Kelvin (0 K) equivale a C. Por tanto, 0 C equivale a K. El punto triple del agua es aquel en que coexisten el hielo, el agua y el vapor de agua, a temperatura 0.01 C y presión de 610 Pascal. 3. CONVERSIÓN ENTRE ESCALAS DE TEMPERATURA 3.1 Conversión entre escalas Fahrenheit y Celsius. Como hay 180 divisiones entre 32 F a 212 F, un cambio de 1 C equivale a un cambio en 1 C equivale a un cambio de 180/100, o sea, (9/5) F Página 1 de 11

2 Ec. 1 Ec. 2 Donde: T F = temperatura en F T C = temperatura en C 3.2 Conversión entre escalas Celsius y Kelvin. Ec. 3 T= temperatura en Kelvin T C = temperatura en C 4. TIPOS DE TERMÓMETROS Existen varios tipos de termómetros para medir la temperatura: termómetro de resistencia eléctrica, termómetros ópticos, termopares, termómetros de volumen constante, etc. El principio de funcionamiento de uno de los termómetros más comunes es el siguiente. En el termómetro de mercurio (Figura 2), cuando se pone en contacto el bulbo de mercurio (Hg), que tiene la función de sensor, con el objeto al que se quiere medir la temperatura, la columna de mercurio se expande (o contrae) y se eleva ( o se disminuye la altura). En la escala graduada, se lee directamente la temperatura. Escala graduada Columna Hg Sensor (bulbo de Hg) Figura 1. Termómetro de mercurio (Hg). Página 2 de 11

3 5. DILATACIÓN O EXPANSIÓN TÉRMICA 5.1 Dilatación lineal Para objetos en los que predomina una dimensión (barras, tubos, alambres, vigas, etc.) se ha encontrado experimentalmente que el cambio de longitud (ΔL) de una barra maciza de longitud original L o depende del cambio de temperatura (ΔT) al que se somete cuando se calienta uniformemente: Si L o es la longitud original, el cambio de longitud será mayor dependiendo de L o aunque el cambio de L sea de igual proporción: Donde: L o = longitud original L= longitud dilatada ΔT= cambio de temperatura, K α= coeficiente térmico de dilatación lineal (K -1 ) Ec. 4 Ec. 5 Ec. 6 Por ejemplo, para el cemento y concreto α=(10 a 14) x10-6 K -1. Para el acero estructural, α=12x10-6 K Dilatación volumétrica Para sólidos y líquidos (cuerpos en los que no predomina una única dimensión): ΔT= cambio de temperatura, K Ec. 7 β = coeficiente término de dilatación volumétrica o de dilatación cúbica, K -1. (es mayor para sólidos que para líquidos). Página 3 de 11

4 V o = volumen original V= volumen de sustancia que ha sido sometida a cambio de temperatura. En general,. Cuando un objeto se dilata o se contrae, todas sus proyecciones y cavidades se dilatan o se contraen en forma proporcional. Algunos valores de β: Material Coeficiente de dilatación volumétrica β, K -1 Sólido Aluminio 72 x 10-6 Asfalto 600 x 10-6 Acero estructural 36 x 10-6 Líquido Gasolina 950 x 10-6 Agua 207 x 10-6 Fuente: Hecht. 6. LEYES DE LOS GASES Dado que el gas se expande y llena el recipiente que lo contiene, se requiere de un análisis distinto al anterior. Las variables más importantes para describir el comportamiento de los gases son: P=presión del gas T= temperatura V=volumen del recipiente m= masa del gas Leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac a. Ley de Boyle Si se mantiene constante la temperatura, el volumen de un gas varía en proporción inversa a la presión absoluta, es decir, la presión absoluta por el volumen es constante. Ec. 8 Página 4 de 11

5 Si consideramos dos estados distintos (1 y 2), la Ec. 8 se puede escribir como: b. Ley de Charles Ec. 9 Cuando se mantiene constante la presión, el volumen de determinada cantidad de volumen de cualquier gas varía en forma directa con la temperatura termodinámica Ec. 10 Es decir, todos los gases aumentan el volumen cuando la temperatura aumenta. Para dos estados 1 y 2 de un gas a presión constante, la Ec. 10 se puede escribir como: Ec. 11 c. Ley de Gay-Lussac Cuando se mantiene constante el volumen, la presión absoluta de determinada cantidad de cualquier gas varía en relación directa con la temperatura termodinámica. Ec. 12 De igual manera, para dos estados 1 y 2:, (V y m constante) Ec. 13 d. Ecuación combinada de las tres leyes. Como: Página 5 de 11

6 Multiplicando: Ec. 14 Manteniendo todo lo demás igual, el volumen de un gas depende de la cantidad de gas presente: Ec. 15 e. Ley del gas ideal Un gas se denomina ideal si cumple con la relación siguiente: = R Ec. 16 Ec. 17 Debido a que si N= cantidad de moléculas y n= número de moles, y m= masa del gas, entonces: R=coeficiente universal de los gases, determinado experimentalmente, equivale a J/mol K, casi igual para todos los gases a bajas presiones. Página 6 de 11

7 El número de Avogadro, N A =6.022 x10 23 es la cantidad de moléculas por mol, así que la cantidad total de moléculas (N) es: nn A : Ec. 18 k B =constante de Boltzmann, una de las constantes fundamentales de la Naturaleza. 7. CALOR Energía térmica: es la energía cinética interna asociada con el movimiento aleatorio de traslación de las partículas submicroscópicas (átomos, moléculas, iones y electrones libres) que forman un sistema. Temperatura (a valores mayores que 0 K) es una medida de la capacidad de las partículas en movimiento, por lo general átomos, para transferir en forma directa energía térmica a un termómetro o a cualquier objeto. No refleja la cantidad neta de energía cinética aleatoria sino un valor promedio: la concentración de la energía térmica. Hay tres formas de aumentar o disminuir la energía térmica de un cuerpo: a. El trabajo sobre el cuerpo: frotarlo, comprimirlo o deformarlo (es decir, desplazar algunos átomos) b. Radiación electromagnética (fotones de luz visible, rayos infrarrojos, ultravioletas) en un cuerpo, genera energía radiante que se transfiere directamente a los átomos que la absorben. Página 7 de 11

8 c. El calor (Q) es la energía térmica transferida, mediante choques atómicos de una región de alta temperatura (donde la energía cinética promedio es alta) a una región de menor temperatura (donde la energía cinética promedio es baja). El calor (Q) es la energía del movimiento aleatorio transportada por contacto de un grupo de partículas en traslación a otro, exclusivamente como resultado de una diferencia de temperatura. Los portadores de la energía son átomos, iones, o electrones libres. El calor es la energía térmica en tránsito, y una vez transferida, ya no se llama calor. 7.1 Cantidad de calor Caloría= cantidad de calor que se debe agregar para elevar un (1) grado Celsius la temperatura de un (1) gramo de agua de 14.5 a 15.5 C. Donde: c= constante, caloría/g C m= masa Q= cantidad de calor, en Joules en el SI. T=temperatura. 1 kilocaloría (1 kcal)=1000 calorias Ec Equivalente mecánico del calor Relación numérica entre el trabajo y el calor, en el SI: La temperatura de un (1) kilogramo de agua se puede aumentar (o disminuir) un (1) Kelvin por la adición (o eliminación) de 4186 Joules de calor. 7.3 Calor específico o capacidad calorífica específica (c) Página 8 de 11

9 El calor específico de una sustancia es la cantidad de Joules de calor que se deben agregar para elevar 1 K (o 1 C) la temperatura de 1 kg del material. c= calor relacionado con el cambio de temperatura. Ec. 20 Calor latente asociado con el cambio de estado. Si el cambio de estado es de sólido a líquido, el proceso se denomina fundación o fusión, y el calor agregado se llama calor latente de fusión (L f ). Para cambiar la fase de una masa m que está en punto de fusión se necesita agregarle (o disminuirle) una cantidad de calor Q igual a: En resumen: Proceso Cambio de estado Calor específico De A Fundición o fusión Sólido Líquido Calor latente de fusión Vaporización Líquido Gas Calor latente de vaporización 7.4 Transferencia de energía térmica Hay tres formas distintas de transferir energía térmica: a. Radicación térmica, por la oscilación aleatoria de los átomos. b. Convección: por desplazamiento entre el cuerpo y el fluido que lo rodea. Ej. Radiador. Al desplazar zonas más frías se forma un flujo de energía térmica debido a una disminución de la densidad a medida que aumenta la temperatura. c. Conducción: capacidad de la sustancia de transferir energía térmica. 8. PROCESOS TERMODINÁMICOS Un sistema está en equilibrio cuando no hay tendencia a que sufra cambio macroscópico espontáneo. Página 9 de 11

10 Una configuración del sistema corresponde a un determinado conjunto de valores de propiedades físicas (P, V, T, ) se llama estado. Siempre que las propiedades sean constantes, se dice que el sistema está en un estado particular. Así, PV=nRT es una ecuación de estado. Un proceso se lleva a cabo cuando el sistema cambia de un estado a otro. Hay cuatro modos básicos de cambiar el estado de un sistema: a. Proceso isotérmico: cuando la temperatura del sistema es constante. b. Proceso isobárico: cuando la presión del sistema es constante. c. Proceso adiabático: cuando no se transfiere calor al sistema ni sale calor de él. d. Proceso isovolumétrico o isocórico: cuando el volumen del sistema es constante. 9. LEYES DE LA TERMODINÁMICA 9.1 Ley cero de la termodinámica Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a distintas temperaturas, la energía térmica fluye del mayor al de menor temperatura, hasta que las temperaturas de los dos se igualan, y se dice que están en equilibrio térmico. 9.2 Primera ley de la termodinámica La energía no se puede crear ni destruir, sino sólo se transfiere de un sistema a otro y se transforma de una forma a otra Ec. 21 Donde: Q= calor (que entra es positivo) W=trabajo (que sale es positivo) U= energía interna. 9.3 Segunda ley de la termodinámica Página 10 de 11

11 El calor pasa en forma natural de una región a alta temperatura a una región a baja temperatura. Por sí mismo, el calor no pasará de un cuerpo frío a un uno caliente. 9.4 Entropía y principio de entropía Los cambios naturales (es decir, los espontáneos) llevan a un sistema aislado hacia el desorden, y están acompañados por un aumento de entropía. Los cambios no naturales, que deben forzarse en un sistema no aislado por un agente externo, pueden introducir en él más orden y disminuir su entropía. Los cambios reversibles tiene entropía neutra. Principio de entropía (equivalente entrópico de la segunda ley de termodinámica): Cuando un sistema aislado cambia, pasando de un estado a otro, lo hará de tal manera que su entropía aumente o, cuando mucho, permanezca igual. Página 11 de 11