Tema 8: Temperatura y Principio Cero

Transcripción

1 1/30 Tema 8: Temperatura y Principio Cero Fátima Masot Conde Ing. Industrial 2007/08 Tema 8: Temperatura y Principio Cero 2/30 Índice: 1. Introducción. 2. Temperatura y Ley Cero. 3. Termómetros y escalas. 4. Termómetro de gas a volumen constante. 5. Escala Kelvin. 6. Dilatación térmica de sólidos y líquidos.

2 Introducción 3/30 Qué es la temperatura? Tenemos la la sensación intuitiva (a (a veces engañosa) de de que algo está frío o caliente Ejemplo: Nos Nos parece que que la la alfombra está estámás caliente que que el el suelo. Por Por qué? qué? Necesitamos algo algo más más objetivo 4/30 Temperatura y Ley Cero Este ingrediente "objetivo" lo lo sacamos de de una observación común: Dos objetos a distintas temperaturas puestos en en contacto alcanzan una temperatura intermedia común. Los objetos en en contacto térmico intercambian energía (uno la la pierde, otro la la gana) Y se se alcanza el el equilibrio térmico (llegan a la la misma temperatura)

3 5/30 Temperatura y Ley Cero Hemos hablado de de temperatura, y aún no no la la hemos definido (concepto escurridizo, al al que llegamos por comparación). Establecemos la la temperatura de de un un objeto y a todos los los que están en en equilibrio térmico con él. él. Decimos que tienen la la misma temperatura. La asignamos arbitrariamente A ese objeto que nos ayuda a establecer/medir la la temperatura de de lo lo demás se se le le llama termómetro. 6/30 Temperatura y Ley Cero Equilibrio térmico Situación a la la que que llegan los los objetos en en contacto térmico en en la la que que dejan de de intercambiar energía. Ley Cero Si Si dos dos objetos, A y B, B, por por separado, están en en equilibrio térmico con con C, C, entonces A y B están en en equilibrio térmico entre sí. sí. A C B

4 7/30 Temperatura y Ley Cero 8/30 Temperatura y Ley Cero Podemos definir la la temperatura como la la propiedad que comparten todos los los objetos en en equilibrio térmico y redefinir el el equilibrio térmico como el el estado de de igual temperatura. El El termómetro es es ese objeto que nos sirve de de patrón comparador.

5 Termómetros y escalas 9/30 La temperatura no es un color que se pueda observar, o un volumen que se pueda medir, Cómo establecemos ese patrón comparador? Se utilizan propiedades físicas que cambian de forma conocida con la temperatura (propiedad termométrica) El ejemplo más corriente es el termómetro de mercurio. La propiedad que se utiliza es la dilatación del mercurio. El mercurio encerrado en una columna de sección conocida se dilata y su longitud se utiliza para medir la temperatura. 10/30 Termómetros y escalas Otros ejemplos Termopila, termómetro de resistencia Termómetro de mercurio Termómetro de gas a volumen constante Termómetro de placa bimetálica

6 11/30 Termómetros y escalas Para su su calibración: 1) Se establece la escala termométrica: se eligen dos puntos o entornos de temperatura constante (p.e. fusión hielo, vaporización de agua), y se les asignan arbitrariamente las temperaturas superior e inferior de la escala. 2) 2) Se Se pone pone en en contacto térmico el el termómetro con con ambos entornos. La La propiedad utilizada (en (en este este caso, la la longitud de de la la columna) variará, marcando los los dos dos extremos físicos de de la la escala. 12/30 Termómetros y escalas Por ejemplo: la escala Celsius asigna: T = 0 o C T = 100 o C Asignación arbitraria de valores de temperatura al punto de hielo o congelación normal del agua. al punto de vapor o de ebullición normal del agua. Entornos de temperatura constante. Con Con esa esa elección, está estáclaro que que el el grado centígrado es es la la centésima parte de de la la escala (propiedad lineal).

7 13/30 Termómetros y escalas L L 100 L t L 0 3) se traza una "curva de calibración", para obtener (por interpolación o extrapolación) la temperatura de los estados intermedios t C t C ( o C) t C L L t 0 = L L o 14/30 Termómetros y escalas La escala Fahrenheit: t F = 32 o F t F = 212 o F Asignación arbitraria de valores de temperatura Relación entre ambas: punto de hielo o de congelación del agua. punto de vapor o de ebullición del agua. Entornos de temperatura constante iguales que en Celsius. t F = 9 5 t C +32 o F t F = 9 5 t C

8 15/30 Termómetro de gas a volumen constante a) Las escalas obtenidas con los los termómetros de de líquidos (Hg), dependen del líquido. No definen la la temperatura de de forma absoluta b) Los Los termómetros de de gas, gas, en en cambio, proporcionan una una lectura prácticamente independiente del del gas. gas. Contenedor de gas a volumen constante Por ejemplo, el el termómetro de de gas a volumen constante (figs. a, a, b) b) 16/30 Termómetro de gas a volumen constante Funcionamiento: El volumen del gas siempre es el mismo La propiedad termométrica utilizada: presión del gas Aquí, la presión se lee directamente Contenedor de gas a volumen constante Mercurio Nivel de cero gas En esta versión, cuando el contenedor de gas se introduce en un entorno caliente, el gas se expande empujando al mercurio por encima del nivel de cero. Para que su volumen permanezca constante a la hora de hacer la medida, se manipula el tubo de mercurio manualmente para reajustar el nivel. La presión del gas viene dada por la altura de la columna de mercurio, según la relación: P= P +ρgh h 0

9 17/30 Termómetro de gas a volumen constante Calibrado: Igual que el de mercurio: Se eligen dos entornos de temperaturas constantes (ebullición y congelación de agua) se le asignan dos temperaturas (0 y 100 en la escala Celsius), y se miden las presiones correspondientes. P 100 P t P 0 Fig 16.4 Serway t C t C ( o C) La medida de la temperatura viene dada en función de la presión. t C P P t 0 = P100 P0 100 o 18/30 Termómetro de gas a volumen constante Resultado asombroso: En todos los casos, independientemente del gas utilizado, cuando la presión se extrapola a cero (densidad del gas casi nula) todas las curvas se cortan en la misma temperatura: o C. Mismo experimento, pero realizado con gases distintos Fig 16.5 Serway Fig 16.4 Serway 0 o C 100 o C t C ( o C) Dado que P=0 es la presión más baja posible (vacío perfecto), esa temperatura debe representar un límite inferior para todos los procesos físicos. 1) 2) Esto sugiere que esta temperatura tiene un carácter universal, (no depende de la sustancia utilizada en el termómetro)

10 19/30 Escala Kelvin Esa temperatura se se define como "cero absoluto" Sirve de de base para la la escala Kelvin (absoluta) de de temperatura T = 0 K t C = o C En esta escala, no se ha definido el grado mediante un límite superior, sino por identificación directa con la Celsius: 1K 1C o grado de incremento 20/30 Escala Kelvin Conversión: Temp. Celsius t C = T t C = T Temp. absoluta o Kelvin Única diferencia: Desplazamiento del cero entre ambas escalas El El cero cero de de la la escala Celsius es es arbitrario (elegido como congelación del del agua) El El cero cero de de la la escala Kelvin es es absoluto (no (no depende de de nada, es es común para para todas las las sustancias)

11 21/30 Escala Kelvin Puntos termométricos representativos Punto de ebullición del agua dificiles de reproducir en el laboratorio Punto de congelación del agua Celsius 100 o C 0 o C Kelvin K K Punto triple del agua (coexistencia de agua, vapor y hielo en equilibrio) 0.01 o C K Cero absoluto o C Elegidos por el Comité Internacional de Pesas y Medidas para definir la escala de Temperatura Absoluta 0 K 22/30 Escala Kelvin La recta de calibración de un termómetro de gas a vol. constante pasa por el punto (0,0), cero absoluto de temperatura y presión. La temperatura de cualquier otro punto se puede obtener, por simple proporcionalidad, en función de otro punto de temperatura y presión conocidas, por ejemplo, el punto triple: P triple P T = T P triple triple P 0 0 T T triple T (K)

12 23/30 Escala Kelvin Con ello, Grado kelvin= de la temperatura del punto triple Fig 16.6 Serway El El cero absoluto es es inalcanzable Según Física Clásica Corrección Física Cuántica E K T =0 =0 E K T =0 6=0 Temperaturas de algunos procesos (escala logarítmica) Energía del punto cero 24/30 Dilatación térmica Los materiales se dilatan al aumentar su temperatura (ésa es la propiedad que hemos utilizado para fabricar termómetros). Esto ocurre debido a que los átomos vibran con mayor amplitud y las distancias medias intermoleculares aumentan.

13 25/30 Dilatación térmica Expansión lineal Si tenemos una varilla de longitud Lo a una temperatura inicial To, que se somete a un cambio de temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL: Δ L = α L ΔT 0 *(aproximación lineal, para rangos de temperatura limitados) Coef. de expansión lineal o Unidades: K ó ( C ) /30 Dilatación térmica Todas las dimensiones lineales cambian según la ecuación anterior: L puede ser el espesor de una varilla, la longitud de un lado de una lámina o el diámetro de un agujero. Cuando un objeto sufre expansión térmica, los agujeros que contiene también se expanden.

14 27/30 Dilatación térmica Expansión volumétrica Es una consecuencia de la expansión lineal que sufren las dimensiones lineales. Si tenemos un cubo de lado L, cada lado se expande según la ecuación anterior, dando como resultado un aumento de volumen ΔV: Δ V = β V ΔT 0 Coef. de expansión volumétrica 1 o 1 Unidades: K ó (C ) 28/30 Dilatación térmica Obsérvese que Por qué? β = 3α

15 29/30 Dilatación térmica Anomalía térmica del agua El agua se expande cuando baja su temperatura en el rango de 4 o C a 0 o C. Esta anomalía permite la conservación de la vida en los ambientes acuáticos. 30/30 Bibliografía Tipler & Mosca Física para la ciencia y tecnología Ed. Reverté Serway & Jewett, Física, Ed. Thomson (vol. II) Halliday, Resnick & Walter, Física, Ed. Addison- Wesley. Sears, Zemansky, Young & Freedman, Física Universitaria, Ed. Pearson Education (vol. II) J. Aguilar, Curso de Termodinámica Ed. Alambra Çengel & Boles, Termodinámica, Ed. Prentice-Hall Fotografías y Figuras, cortesía de Tipler & Mosca Física para la ciencia y tecnología Ed. Reverté Sears, Zemansky, Young & Freedman, Física Universitaria, Ed. Pearson Education