Calor y temperatura. Cap. 13, 14 y 15 Giancoli 6ta ed.

Transcripción

1 Calor y temperatura Cap. 13, 14 y 15 Giancoli 6ta ed.

2 Contenido Definiciones Clasificación Leyes, principios Procedimientos

3 Definiciones Termodinámica: es el estudio de los procesos en los que la energía se transfiere como calor y trabajo. Energía interna (energía térmica): es la suma de la energía de todas las moléculas de un objeto. Temperatura: es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas individuales. Termómetro: instrumento utilizado para mediar la temperatura. Calor: es una transferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia en temperatura. La dirección del flujo de calor depende de sus temperaturas, no de cuánta energía interna tenga cada uno. Ejemplo, si 50 g de agua a 30ºC se ponen en contacto (o se mezclan) con 200 de agua a 25ºC, el calor fluye desde el agua a 30ºC hacia el agua a 25ºC, aun cuando la energía interna del agua de 25ºC sea mucho mayor puesto que hay mayor cantidad de ella. Mol: cantidad de sustancia que contiene tantos átomos o moléculas como hay en 12 gramos de carbono, o equivalente, 1 mol es aquel número de gramos de una sustancia numéricamente igual a la masa molecular,

4 Escalas de temperatura: Escala Celcius (escala centígrada): se eligen dos puntos fijos (arbitrarios) punto de congenlación y punto de ebullición del agua, como 0ºC y 100 ºC respectivamente. Se divide en 100 partes iguales. Escala Fahrenheit: el punto de congelación se define como 32ºF y el punto de ebullición como 212ºF., la distancia entre ellos se divide en 180 intervalos iguales. Escala Kelvin o escala absoluta: El cero absoluto es la temperatura más bajo posible, igual a ºC. El cero de esta escala 0K, se elige como el cero absoluto, el punto de congelación del agua corresponde a K, y el punto de ebullición del agua es K. Los intervalos son los mismos que la escala Celcius.

5 Conversión de temperaturas: 0 ºC = 32ºF, cambio de 5 ºC = 9 ºF T ºC = 5 9 [T ºF 32] T ºF = 9 5 T ºC + 32 T K = T ºC

6 Expansión lineal El cambio de longitud de casi todos los sólidos, es directamente proporcional al cambio de temperatura, en tanto ΔTno sea demasiado grande. α se llama coeficiente de expansión lineal y tiene unidaes de (ºC) -1 ΔL = αl o ΔT

7 Gas ideal Gas ideal es aquel en el cual: Existe un gran número de moléculas que se mueven en direcciones aleatorias con diferente rapidez. Las moléculas están, en promedio, bastante separadas unas de otras. Esto es, su separación es mucho mayor que el diámetro de cada molécula. Se supone que las moléculas obedecen a las leyes de la mecánica clásica y que interactúan entre sí sólo cuando chocan. Las colisiones con otra molécula o la pared del contenedor se suponen perfectamente elásticas.

8 Leyes de los gases ideales Sean V volumen, P presión, T temperatura en Kelvin. Ley de Boyle: El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplica cuando la temperatura se mantiene constante. V 1, o bien, PV P = constante T constante, Por ejemplo, si la presión de un gas se duplica el volumen se reduce a la mitad de su volumen original.

9 Leyes de los gases ideales Ley de Charles: el volumen de una cantidad dada de gas es directamente proporcional al a temperatura absoluta cuando la presión se mantiene constante. V T, o bien V = contante [P constante T Ley de Gay-Lussac: a volumen constante, la presión absoluta de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta P T, o bien P T = constante V constante Ley del gas ideal: PV = nrt, donde n es el número de moles, R=constante de proporcionalidad denominada constante universal de los gases, igual a J/(mol.K) ]

10 Calor Calor (Q): es energía transferida de un objeto a otro que obedece a una diferencia en temperatura. El calor fluye de un objeto caliente a uno más frío. Es energía la que se transfiere del objeto caliente al objeto frío. El calor se refiere a una transferencia de energía, no a la energía en sí. Unidades de medida Joule (J) en el Sistema Internacional de Unidades SI. Caloría (cal): es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado Celsius [de 14.5 ºC a 15.5ºC]. Kilocaloria (kcal)= 1000 calorías. También se llama Caloría (con C mayúscula), se utiliza para especificar el valor energético de los alimentos BTU (unidad térmica británica): es el calor necesaria para elevar la temperatura de 1 lb de agua en 1ºF. 1BTU=0.252 kcal=1055 J. Equivalente mecánico del calor: cantidad de trabajo realizado equivale a una cantidad particular de entrada de calor, igual a J equivale a 1 caloría de calor.

11 Calor específico Calor específico (c ): Es la cantidad de calor Q requerida para cambiar la temperatura ΔT de un material de masa m del material: c = Q mδt J Unidad de medida: kg ºC El calor específico del agua (líquido a 15ºC)es 4186 J/kgºC. El cuerpo humano (promedio) 3470 J/kgºC.

12 Diferencia entre energía interna, temperatura y calor Energía interna Calor Temperatura Concepto Energía total de todas las moléculas en el objeto Transferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura Medida de la energía cinética promedio de moléculas individuales. Ejemplo Dos lingotes y hierro de igual masa pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía térmica de la que tiene uno solo.

13 Tipos de sistemas Sistema: es cualquier objeto o conjunto de objetos que se desea considerar. Todo lo demás en el universo constituirá su ambiente, o los alrededores. Sistema cerrado: es aquel en el que ninguna masa entra o sale, (aunque puede intercambiar energía con el ambiente). Sistema abierto: la masa puede entrar o salir, (al igual que la energía). Sistema aislado: aquel sistema cerrado en el que ninguna forma de energía pasa a través de sus frontera.

14 Transferencia de calor Conducción: a través de colisiones moleculares. Conforme se caliente el extremo de un objeto, las moléculas en ese lugar se mueven cada vez más rápido. Conforme chocan con sus vecinas que se mueven más lentamente, transfieren parte de su energía cinética a estas moléculas, cuya rapidez, por tanto, aumente. Convección: es el proceso mediante el cual el calor fluye por el movimiento en masa de las moléculas desde un lugar hasta otro. Radiación: transferencia de calor que ocurre sin medio alguno, debida a energía radiante, por ondas electromagnéticas.

15 Calor latente Calor latente: es la cantidad de energía que participa en el cambio de fase de un material, por ejemplo cal cambiar de sólido a líquido, de líquido a gas.q = ml, donde L es el calor latente del proceso y m es la masa, Q es el calor agregado o liberado durante el cambio de fase. Calor de fusión (L f ): calor que se requiere para cambiar 1.0 kg de una sustancia del estado sólido al líquido. Calor de vaporización (Lv): calor requerido para cambiar una sustancia de la fase líquida a la de vapor.

16 Cambios de fase y calor El cambio de fase a fase se denomina Para lo cual necesitamos Sólido Líquido Fusión Agregar calor Líquido Gas Evaporación Agregar calor Gas Plasma Sublimación Agregar calor Plasma Gas Sublimación regresiva Quitar calor Gas Líquido Condensación Quitar calor Líquido Sólido Solidificación Quitar calor

17 Procedimiento Cálculo del calor Cuando diferentes partes de un sistema aislado están a distintas temperaturas, el calor fluirá (se transferirá energía) de la parte que tiene mayor temperatura hacia la parte a menor temperatura; esto es, dentro del sistema. Conservación de la energía pérdida de calor =ganancia de calor O sea: energía que sale de una parte= energía que entra a otra parte. El calor total trasferido hacia o desde el sistema aislado es cero. Q = 0.

18 Procedimiento

19 Leyes termodinámica Ley cero de la termodinámica: Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces los dos primero están en equilibro entre sí. Primera ley de la termodinámica: El cambio de energía interna de un sistema cerrado será igual a la energía agregada al sistema diante el calentamiento menos el trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores. (amplio enunciado de la ley de conservación de la energía) ΔU = Q W El calor agregado es + El calor perdido es El trabajo sobre el sistema es El trabajo realizado por el sistema es + Procesos termodinámicos Variables de proceso. El trabajo y el calor pueden cambiar el sistema de un estado a otro, no son característica del estado del mismo. Q y W no son variables de estado, se denominan variables de proceso. Variables de estado: son cantidades que describen el estado de un sistema como la energía interna U, la presión P, el volumen V, la temperatura T, la masa m o número de moles n.

20 Procesos termodinámicos (1ra Ley) Proceso isotérmico: se lleva a cabo a temperatura constante. Proceso adiabático: es aquel en el que no se permite el flujo de calor hacia el sistema o desde él, Q=0. Proceso isobárico: es aquel en el que la presión se mantiene constante. Proceso isovolumétrico o isocórico: es aquel en el que el volumen cambia.

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23 Segunda ley de la termodinámica El calor fluye espontáneamente de un objeto caliente a un objeto frío, el calor no fluirá espontáneamente de un objeto frío a uno caliente. (Enunciado de Clausius) No es posible que existe un dispositivo cuyo efecto sea transforma por completo una cantidad dada de calor en trabajo. (enunciado de Kelvin-Planck) La entropía total de cualquier sistema más la de sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural (enunciado general) La entropía S es una medida del grado de desorden de un sistema. El cambio de entropía es ΔS = Q/T Los procesos naturales tienen a moverse hacia un estado de mayor desorden. (enunciado general)