Electricidad y calor. Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano. Departamento de Física 2011

Transcripción

1 Electricidad y calor Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano Departamento de Física 2011

2 A. Termodinámica Temario 1. Temperatura y Ley Cero. (3horas) 2. Calor y transferencia de calor. (5horas) 3. Gases ideales y estados termodinámicos. (3horas) 4. Primera Ley de la Termodinámica. (6horas) 5. Segunda Ley de la Termodinámica. (6 horas) B. Electricidad 1. Cargas eléctricas y la Ley de Coulomb. (5horas) 2. Campo eléctrico y Ley de Gauss. (6horas) 3. Potencial eléctrico. (3horas) 4. Capacitancia. (3horas) 5. Corriente eléctrica y resistencia. (3horas) 6. Circuitos eléctricos. (5horas)

3 Temas 1. Temperatura y ley cero. i. Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica. ii. Concepto de temperatura. iii. Tipos de termómetros. iv. Escalas de temperatura. v. Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y Líquidos

4 TERMODINÁMICA Termodinámica en equilibrio Termodinámica clásica Termodinámica estadística Termodinámica fuera del equilibrio Termodinámica cercana al equilibrio Termodinámica muy lejos del equilibrio

5 Conceptos fundamentales Un sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, que pasa a ser el entorno del sistema. Universo Sistema Frontera Alrededor o entorno El sistema y su entorno forman el universo. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

6 El sistema y los alrededores pueden interaccionar el uno con el otro, a través de los limites o frontera del sistema, las cuales pueden ser Permeables Sistema entorno Intercambio de materia Universo Frontera Impermeables Diatérmicos Adiabáticos No hay intercambio de materia Intercambio de calor No hay intercambio de calor

7 Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en: Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Un sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

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9 Sistema termodinámico Una definición mas puntual de sistema termodinámico es cualquier cantidad de materia o radiación lo suficientemente grande como para ser descrito por parámetros macroscópicos, sin ninguna referencia a sus componentes individuales (microscópicos). (la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) El estado de un sistema representa la totalidad de las propiedades macroscópicas asociadas con él. Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.

10 Se dice que ocurre una transformación en un sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado dentro del mismo a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación es abierta. Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada. Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es infinitesimal. El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino seguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado.

11 Un sistema específico para procesos termodinámicos» Un gas en un cilindro con un pistón y una masa variable encima del pistón. Está en contacto con una reservorio térmico que se usa para controlar la temperatura.» Se pede variar la presión del gas cambiando la masa, la presión es peso dividido por el área.» Se puede variar el volumen del gas al permitir que el pistón se mueva.» El reservorio provee o absorbe calor del sistema y así variar la temperatura

12 Equilibrio térmico y temperatura. Ley cero Noción cotidiana de la temperatura; Es la propiedad física de los sistemas que precisa y cuantifica nuestras nociones de caliente y frío. Los materiales más calientes tienen mayor temperatura

13 Sin embargo La temperatura es una propiedad de un objeto que está relacionada con el hecho de que el objeto esté o no en equilibrio con otro objeto con el cuál está en contacto. Si están en equilibrio el estado de los objetos no cambia. Tendrán el mismo valor de temperatura. Si no están en equilibrio, no tendrán el mismo valor de temperatura. Ocurrirá un proceso que hará que baje la temperatura del más alto y suba la del más bajo para llevarlos a ambos a la misma temperatura y al equilibrio.

14 Ley Cero de la Termodinámica Los cuerpos que están en contacto, directamente o a través del aire, alcanzan la misma temperatura El equilibrio térmico implica: la misma temperatura en los cuerpos (no el mismo calor) si dos cuerpos están en equilibrio térmico y uno de ellos alcanza el equilibrio con un tercero, el primero también alcanza el equilibrio térmico con el tercero

15 Esta no es una deducción lógica sino un hecho experimental. En consecuencia es posible definir una escala de temperaturas. El termómetro es el objeto A que ha sido calibrado con un objeto y se usa para medir la temperatura de un tercer objeto C.

16 Medición de temperatura Termómetro: material que posea una propiedad termométrica: Cambie con la temperatura. Se puede medir fácilmente. Para definir una escala, hay que definir dos cosas: El punto cero. El tamaño de la unidad L L 100 L 0

17 Escalas de Temperatura Se usan tres escalas en la práctica y es bueno conocerlas. La escala Celsius La escala Fahrenheit La escala Kelvin La escala Celsius 0º C punto congelación agua a 1 atm 100º C punto ebullición agua a 1 atm Si estamos hablando de cambios de temperatura o diferencias de temperatura, entonces ΔT C = ΔT

18 La escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit: -Ambos el tamaño de la unidad y el punto cero son diferentes a los anteriores. 32º F punto congelación agua a 1 atm. 212º F punto ebullición agua a 1 atm. - Relación matemática entre temperatura Fahrenheit y Celsius y temperatura Kelvin. T F = 1.8 T C + 32 ΔT F = 1.8 ΔT C

19 La escala Kelvin: El punto cero es la temperatura más baja que existe. Ese punto tiene un significado físico especial (no hay movimiento de los átomos). Por eso, esta escala será la más útil especialmente cuando estemos enunciando las leyes de la termodinámica. El tamaño de la unidad lo determina el hecho de que se define el punto triple de agua como la temperatura K. Y es igual que el de la escala Celsius Relación matemática entre temperatura Celsius y temperatura Kelvin: T = T c

20 Relación entre las escalas de Temperatura De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin ºF ºF (ºF - 32)*5/9 (ºF-32)*5/ ºC (ºC * 9/5) + 32 ºC ºC K (K )*9/5+32 K K

21 Termómetro a volumen constante y escala Kelvin

22 Temperaturas típicas en el universo Nota la escala logarítmica en las temperaturas.

23 Expansión Térmica Lineal La expansión térmica es una consecuencia del cambio en la separación promedio entre los átomos constituyentes del cuerpo. La expansión se da en cada una de las direcciones (o dimensiones) y es proporcional al cambio la temperatura. Es un fenómeno de gran importancia práctica y también muchos termómetros comunes trabajan en base a este fenómeno. La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad pero es una buena aproximación para propósitos prácticos. L L i T

24 O bien a ) L L i T L f L i a L i ( Tf Ti La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad pero es una buena aproximación para propósitos prácticos. El coeficiente de expansión térmica lineal a, es una propiedad del material y tiene unidades de grado inverso, y T es la temperatura. Los subíndices i y f, se refieren a los valores inicial y final, respectivamente.

25 Ejemplos de Expansión Térmica Lineal

26 Expansión Térmica Volumétrica El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los sólidos pero podemos definir un coeficiente de expansión volumétrica b para líquidos y sólidos; el cual también tiene unidades de grado inverso, de forma que V bv T i V f V i 3aV ( T T i f i ) Si el material es un sólido hay una relación entre el coeficiente volumétrico y el coeficiente lineal que puedes calcular considerando un cubo de material de lado L. b 3a

27 Tabla de coeficientes de expansión térmica para diferentes materiales.

28 Inusual expansión térmica del agua

29 Electricidad y calor Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano Departamento de Física 2011