Electricidad y calor Webpage: http://paginas.fisica.uson.mx/qb 2007 Departamento de Física Universidad de Sonora Temario A. Termodinámica 1. Temperatura y Ley Cero. (3horas) 1. Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica. 2. Concepto de temperatura. 3. Tipos de termómetros. 4. Escalas de temperatura. 5. Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y Líquidos. 2. Calor y transferencia de calor. (5horas) 1. Concepto de calor y su equivalente mecánico. 2. Capacidad calorífica y calor específico. 3. Calor en los cambios de temperatura. 4. Calor en los cambios de fase: calor latente de fusión y evaporación. 5. Formas de transferencia de calor y sus características: conducción, convección y radiación 1
Temario 3. Gases ideales y estados termodinámicos. (3horas) 1. Concepto y características del gas ideal. 2. Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Gay-Lussac e hipótesis de Avogadro. 3. Ecuación de estado del gas ideal pv=nrt y su aplicación en la determinación de los diferentes estados termodinámicos y su representación grafica de presión vs. volumen. 4. Primera Ley de la Termodinámica. (6horas) 1. Concepto de Trabajo aplicado a gases. 2. Trabajo hecho por un gas ideal para los procesos: Isocóricos, isotérmicos, Isobáricos y adiabáticos. 3. El calor en los procesos termodinámicos. 4. Concepto de energía interna. 5. Primera ley y los procesos termodinámicos: Isocórico, Isotérmico, Isobárico y Adiabático para un gas ideal. 6. Ejemplos de aplicaciones de la primera ley de la termodinámica. Temario 5. Segunda Ley de la Termodinámica. (6 horas) 1. Máquinas térmicas y su eficiencia. 2. Segunda ley de la termodinámica: Enunciados de Kelvin-Planck y Clausius. 3. Motores térmicos. 4. Refrigerador. 5. Ciclo de Carnot, procesos termodinámicos reversibles e irreversibles. 6. Entropía y segunda ley de la termodinámica. 7. Cálculo del cambio de entropía en procesos. Isotérmicos, Isobáricos, Adiabáticos e Isocóricos. 2
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 TERMODINÁMICA Termodinámica en equilibrio Termodinámica clásica Termodinámica estadística Termodinámica fuera del equilibrio Termodinámica cercana al equilibrio Termodinámica muy lejos del equilibrio 3
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. Universo El sistema y los alrededores pueden interaccionar el uno con el otro, a través de los Sistema limites o frontera del sistema, las cuales pueden entorno ser Permeables Intercambio de materia Frontera Impermeables Diatérmicos Adiabáticos No hay intercambio de materia Intercambio de calor No hay intercambio de calor 4
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. 5
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. 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. 6
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 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 7
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. Ley Cero de la Termodinámica Los cuerpos que están n en contacto, directamente o a través s del aire, alcanzan la misma temperatura El equilibrio térmico t implica: la misma temperatura en los cuerpos (no el mismo calor) si dos cuerpos están n en equilibrio térmico y uno de ellos alcanza el equilibrio con un tercero, el primero también n alcanza el equilibrio térmico t con el tercero 8
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. 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 9
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 Cpunto congelación agua a 1 atm 100º Cpunto ebullición agua a 1 atm Si estamos hablando de cambios de temperatura o diferencias de temperatura, entonces T C = T 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 10
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 273.15K. Y es igual que el de la escala Celsius Relación matemática entre temperatura Celsius y temperatura Kelvin: T= T c + 273.15 Relación entre las escalas de Temperatura De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin ºF ºF (ºF - 32)*5/9 (ºF-32)*5/9+273.15 ºC (ºC * 9/5) + 32 ºC ºC + 273.15 K (K-273.15)*9/5+32 K - 273.15 K 11
Termómetro a volumen constante y escala Kelvin Temperaturas típicas en el universo Nota la escala logarítmica en las temperaturas. 12
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. ΔL L i ΔT O bien Δ L α L i T ) L f L i = αl 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 α, 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. 13
Ejemplos de Expansión Térmica Lineal Expansión Térmica Volumétrica El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los sólidos pero podemos definir un coeficiente de expansión volumétrica β para líquidos y sólidos; el cual también tiene unidades de grado inverso, de forma que V f V Δ V = βvδt i = 3αV i ( Tf Ti ) 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. i β = 3α 14
Tabla de coeficientes de expansión térmica para diferentes materiales. Inusual expansión térmica del agua 15