FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA CURSO FÍSICA II 2012 CLASE III

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA CURSO FÍSICA II 2012 CLASE III Prof. Juan José Corace

2 CUANDO VEMOS ESTA ANIMACIÓN ES PARA TENER EN CUENTA EL CONCEPTO CONCEPTOS VISTOS HASTA AHORA: SISTEMA MEDIO PARED PROPIEDADES: V, ρ y P ECUACIÓN DE ESTADO f(p,v,t) EQUILIBRIO ESTADOS DE AGREGACIÓN FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES LA ENERGIA Y LOS CAMBIOS

3 TEMPERATURA

4 TEMPERATURA CONCEPTO MEDIDA DE LA TEMPERATURA ESCALAS DE TEMPERATURAS

5 TEMPERATURA Tiene una relación directa con la concentración de energía interna. En el caso más simple de un gas, podemos decir que la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas (TCG)

6 ENERGÍA TÉRMICA Un cuerpo contiene, o almacena, energía térmica, no calor ; este último es energía térmica que se transfiere. Un enfoque moderno es llamar a la energía interna de un objeto, como energía térmica..

7 FORMA FORMAS DE ENERGÍA TIPO CONDICIÓN ENERGIA SIN TRANSICIÓN POTENCIAL CINETICA INTERNA (TERMICA) ELECTROMAGNETICA QUIMICA SON PROPIEDADES DEL SISTEMA ENERGÍA EN TRANSICIÓN TRANSFERENCIA DE CALOR Y/O TRABAJO NO ES UNA PROPIEDAD DEL SISTEMA DEPENDE DEL PROCESO SOLO SE PRESENTA DURANTE LA TRANSFERENCIA

8 CONCEPTO DE TEMPERATURA La energía térmica es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se puede calcular a partir de mediciones de temperatura. Es necesario distinguir con claridad entre energía térmica y temperatura.

9 TEMPERATURA Y PRINCIPIO CERO La temperatura es una propiedad primordial en Termodinámica. Su determinación cuantitativa se realiza con instrumentos llamados termómetros. La Ley Cero de la Termodinámica postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad observable

10 IMAGINEMOS UN SISTEMA FORMADO POR DOS SUBSISTEMAS A Y B A B ECUACIÓN DEL EQUILIBRIO TÉRMICO F( X A A B B,Y, X,Y )

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12 EQUILIBRIO TÉRMICO MUTUO EN GENERAL, CUANDO SE PONEN EN CONTACTO DIATÉRMANO DOS SISTEMAS CUALESQUIERA SUFREN TRANSFORMACIONES INTERNAS EL CONJUNTO FORMA UN NUEVO SISTEMA AISLADO, EN UN TIEMPO τ X X 1 2 X X 1 2 ;Y ;Y 1 2 Y Y 1 2 f ( X,Y ; X,Y )

13 PROPIEDADES DEL EQUILIBRIO 1ª) UN SISTEMA EN EQUILIBRIO TÉRMICO, ESTÁ EN EQUILIBRIO CONSIGO MISMO. 2ª) SI UN SISTEMA ESTÁ EN EQUILIBRIO TÉRMICO CON OTRO SISTEMA, ESTE OTRO ESTARÁ EN EQUILIBRIO TÉRMICO CON EL PRIMERO 3ª) SI EL SISTEMA, 1, ESTÁ EN EQUILIBRIO MUTUO CON OTRO, SISTEMA 2,...

14 PRINCIPIO CERO... Y EL MISMO SISTEMA 1 ESTÁ EN EQUILIBRIO MUTUO CON UN TERCER SISTEMA 3,... EL SISTEMA 2 ESTÁ EN EQUILIBRIO MUTUO CON EL TERCERO, 3.

15 LAS TRES PROPIEDADES ANTERIORES: ASEGURAN QUE EL EQUILIBRIO TÉRMICO MUTUO SATISFACE UNA RELACIÓN DE EQUIVALENCIA ESTA PROPIEDAD GARANTIZA QUE DICHOS ESTADOS COMPARTEN UNA VARIABLE, QUE LLAMAMOS TEMPERATURA, Y EXISTE UN COMPARADOR DE ESA VARIABLE, QUE LLAMAMOS TERMÓMETRO

16 CONSIDEREMOS TRES CUERPOS EN EQUILIBRIO MUTUO DOS A DOS, EL 1º CON EL 2º Y EL 1º CON UN 3º. DONDE LAS PROPIEDADES X e Y PASAN A SER P y V : f ( p,v ; p,v ) g ( p,v ; p,v ) Despejando: p F ( V ; p,v ) G( V ; p, ) V3 Por transitividad: h /Finalmente: h / h ( p,v ; p,v ) ( p,v ) G( p,v ) H( p,v ) t F CONCEPTO DE TEMPERATURA EMPÍRICA

17 TEMPERATURA EMPÍRICA t ax + b o bien t ax ESTA FUNCIÓN PERMITE DISPONER DE UNA ESCALA SENCILLA DE VALORES PARA TENER UNA ESCALA DE TEMPERATURA EMPÍRICA LA FUNCION TEMEPARATURA T T(X) DEBE CUMPLIR LAS SIGUIENTES CONDICIONES, QUE SEA: 1. CONTINUA,, SIN DISCONTINUIDADES NI PUNTOS ANGULOSOS; 2. BIUNÍVOCA, QUE A CADA VALOR DE X CORRESPONDA UNO Y SÓLO UNO DE T ; 3. MONÓTONA (ORDINARIAMENTE DE DERIVADA POSITIVA) PARA QUE SEAN DEL MISMO SIGNO EL CRECIMIENTO DE T T Y DE X X. t f (x,y) t f (P,V)

18 PARA APLICAR ESTE CONCEPTO DE ESCALA EMPÍRICA DE TEMPERATURAS SE DEBE TENER: UN CUERPO TERMOMÉTRICO: : ES DECIR UN CUERPO DONDE ALGUNA PROPIEDAD VARÍE EN FORMA CONTÍNUA Y MEDIBLE CON LA TEMPERATURA. UN PUNTO DE PARTIDA: : UN ORIGEN, FACILMENTE REPRODUCIBLE, DESDE DONDE PARTIRÁ NUESTRA ESCALA. UNA UNIDAD: ES DECIR LA MAGNITUD QUE QUEREMOS ASOCIAR A UN VALOR DE TEMPERATURA.

19 CUALQUIER PROPIEDAD TERMOMÉTRICA SE PUEDE EMPLEAR PARA CONSTRUIR UN TERMÓMETRO O SEA PARA ESTABLECER CIERTA ESCALA DE TEMPERATURAS EN PARTICULAR. PARA LO CUAL HAY QUE ELEGIR UNA SUSTANCIA TERMOMÉTRICA ESPECIAL Y UNA PROPIEDAD TERMOMÉTRICA ESPECIAL PROPIEDAD VOLUMEN DILATACION TERMICA VOLTAJE ELECTRICO INDUCIDO RESISTENCIA ELECTRICA RADIACIÓN OPTICA PRESION DE UN GAS SISTEMA TERMOMETRICO LIQUIDO: MERCURIO PAR BIMETALICO: DOS METALES TERMOPAR: DOS METALES TERMISTOR/SEMICONDUCTOR PIROMETRO/RADIACION LUMINOSA GAS A VOLUMEN CTE

20 ESCALAS DE DOS PUNTOS FIJOS LA TEMPERATURA, t, SE RELACIONA CON LA VARIABLE TERMOMÉTRICA, X, EN DOS PUNTOS FIJOS: t 1 con variable termométrica X 1 t 2 con variable termométrica X 2 La temperatura t con X Eliminando las constantes a y b, se obtiene: t ax t ax t ax + b b b t t t t X X 1 1 X X 2 1 ( )

21 HASTA 1954 LA TEMPERATURA SE EXPRESABA ASÍ: t 100 X X 2 X X 1 1 X 1 y X 2 SON LOS VALORES QUE TOMA LA PROPIEDAD TERMOMÉTRICA EN LOS PUNTOS FIJOS, Y X ERA EL VALOR QUE TOMA LA PROPIEDAD TERMOMETRICA A LA TEMPERATURA QUE SE QUIERE MEDIR

22 ESCALAS DE PUNTO ÚNICO ACEPTAN EL CERO ABSOLUTO COMO ORIGEN Y TOMAN COMO ÚNICO PUNTO FIJO EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA, T 3 0,01 ºC ; o T 3 32,02 ºF. EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA ES AQUEL EN EL QUE COEXISTEN EN EQUILIBRIO SUS TRES FASES: SÓLIDO, LÍQUIDO Y VAPOR. SÓLO DEPENDE DE LA PUREZA DEL AGUA EMPLEADA. T 3 273,16 K

23 EL CERO ABSOLUTO SE DEFINE A PARTIR DE LA CONTRACCIÓN DEL VOLUMEN DE UN GAS AL ENFRIARSE. α 1 V 1 o V o t t V o V t V t o 1 0, ( ) V V0 1 + α DONDE EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN: DONDE t 0 ES EL PUNTO DE HIELO. 0,003661(º 273,15º C ) EL CERO ABSOLUTO ES LA TEMPERATURA DONDE SE ANULA EL VOLUMEN DEL GAS:.t T 0, V 0 C 1

24 ESCALAS DE PUNTO ÚNICO SON LA ESCALA KELVIN Y LA RANKINE. LA PRIMERA USA EL GRADO CELSIUS Y LA SEGUNDA EL FAHRENHEIT T ( K ) 273,16 X X 3 T ( R ) 9 5 T( K ) T 3 273,16 K T 3 491,69R T ( K ) t + ( º C ) 273, 15 T ( R ) t + ( º F ) 459, 67 LAS UNIDADES SON EL KELVIN (K) Y EL RANKINE (R).

25 PUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE FAHRENHEIT Mezcla de sal de amonio, hielo y agua 0 F -18 C. Mezcla hielo y agua..32 F 0 C. Temperatura del cuerpo humano 96 F 36 C. PUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE CELSIUS Mezcla hielo y agua...0 C 32 F. Temperatura de agua en ebullición 100 C 212 F.

26 EN EL TERMÓMETRO DE GAS A P CTE En el termómetro de gas a P CTE, la propiedad termométrica es el V ocupado por el gas. Gay-Lussac realizó medidas del V ocupado por el gas cuando el sistema estudiado era hielo y cuando el sistema era agua en ebullición

27 EXISTE INDEPENDENCIA DE LA CANTIDAD DE GAS INTRODUCIDA, LA RELACIÓN ENTRE AMBOS VOLÚMENES VARIA POCO SEGÚN QUÉ GAS SE USE EN EL TERMÓMETRO: N 2 : V 100 1,3749 V 0 Aire: V 100 1,375 V 0 O 2 : V 100 1,3748 V 0 H 2 : V 100 1,3752 V 0 Gas X i : V 100 1,375 V 0 El coeficiente de expansión térmica de los gases es 1 V V 0 t P α V 0 V V ,00375 C 1

28 SE COMPROBÓ QUE LA SEMEJANZA ENTRE LOS GASES ERA TANTO MAYOR CUANTO LA PRESIÓN DEL GAS ES MENOR. DE ESTE MODO, HACEMOS UNA UNA ABSTRACCIÓN DENOMINADA GAS IDEAL, QUE SÓLO NECESITA UN PUNTO FIJO DE TEMPERATURA CONOCIDA (V( 0 ) PARA LA MEDIDA DE CUALQUIER OTRA TEMPERATURA: 1 V V V0 0 0 α 1 + t α ( 1 + α.t ) V. α + t V. α α V V 1 V ( Κ V T V T 1 1 P )

29 EL PUNTO FIJO QUE SE TOMA ES EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA (0,01 C Y 0,611 KPa), EN EL QUE COEXISTEN EN EQUILIBRIO HIELO, AGUA LÍQUIDA Y VAPOR. (0,0098( ºC y 4,58 mm) EN ESE ESTADO, EL VALOR EXPERIMENTAL MÁS EXACTO POR EL MOMENTO ES α 0, C 1. SI CREAMOS UNA ESCALA DE TEMPERATURAS: θ 1 + α T LA MEDIDA DEL VOLUMEN SERÁ SIMPLEMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA DEL SISTEMA EN ESA ESCALA: V θ t ( C ) + 273, 15 θ V 0. α θ 273,16.lim P 0 V V 3

30 COMPARACIÓN DE ESCALAS SI REPETIMOS LAS OPERACIONES DEL TERMÓMETRO DE GAS A VOLUMEN CONSTANTE ENTRE LOS PUNTOS DE HIELO Y DE VAPOR: T T v h lím h 0 p p p v h 1, COMO EN LA ESCALA CELSIUS: T v T h 100 SE OBTIENEN LOS VALORES DE ESOS PUNTOS EN KELVIN T 273, 15K h T 373, 15K v

31 ESCALAS DE TEMPERATURAS ESCALA CERO ABSOLUTO FUSIÓN DEL HIELO EVAPORACIÓN Kelvin 0 K K K Reamur Re 0 Re 80.0 Re Centígrada C 0.01 C C Fahrenheit F 32 F F Rankine* 0 R R R COMPARACIÓN DE ESCALAS

32 PROPIEDADES FÍSICAS QUE SE EMPLEAN PARA DETERMINAR TEMPERATURAS Y FABRICAR TERMÓMETROS: DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN VARIACIÓN DE RESISTENCIA ELÉCTRICA POTENCIAL TERMOELÉCTRICO: EFECTO SEEBECK RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: PIRÓMETROS INFRARROJOS PIRÓMETROS ÓPTICOS

33 T( X ) T( X ) X 3 X 3 T ( X ) 273,16 K X X 3 T ( L ) 273,16 K L L 3 T (V ) 273,16 K V V 3 T ( P ) 273,16 K P P 3 T ( R ) 273,16 K R R 3

34 TIPOS DE TERMÓMETROS TERMOMETRÍA POR MEDIO DE: GASES PRESIÓN DE VAPOR RESISTENCIA ELÉCTRICA DE METALES ALEACIONES METÁLICAS DE SEMICONDUCTORES TERMÓMETROS DE CARBONO CAPACITANCIA ELÉCTRICA TERMÓMETROS ACÚSTICOS TERMOCUPLAS PRESIÓN DE VAPOR DE HELIO-3 RESISTENCIAS SEMICONDUCTORAS TERMÓMETROS PARAMAGNÉTICOS TERMÓMETRO DE ORIENTACIÓN NUCLEAR

35 TIPO DE TERMÓMETRO TIPOS DE TERMÓMETROS RANGO NOMINAL COSTO DE MECURIO -10 A 300 BAJO LINEALIDAD BUENA CARACTERÍSTICAS NOTABLES SIMPLE, LENTO Y LECTURA MANUAL TERMORESISTENCIA Pt Ni RTD (RESISTANCE TEMPERATURE DEVICE) -100 A 850 ALTO TERMOCUPLA -150 A 1500 BAJO TERMISTOR -15 A 115 MEDIO INTEGRADO LINEAL? MEDIO DE GAS -20 A 100 MEDIO DIODOS -200 A 50 BAJO ALTA ALTA NO LINEAL MUY ALTA BUENA ALTA EXACTITUD REQUIRE REFERENCIA DE TEMPERATURA MUY SENSIBLE FÁCIL CONEXIÓN A SISTEMA DE TOMA DE DATOS NO MUY VERSÁTIL BAJO COSTO

36 FIN CLASE III PROXIMA CLASE 23/MARZO/2012