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Tema I.- Temperatura y calor
Esquema del temaLección 1 Temperatura
Introducción. Conceptos básicos. Sistema y estado termodinámico. Variables, funciones y
ecuaciones de estado. Equilibrio termodinámico. Principio cero. Escalas de temperatura.
Lección 2 Calor y Calorimetrıa
Concepto de calor. Capacidad calorífica. Cambios de fase. Calorimetría.
Lección 3 Elasticidad y esfuerzos t ermicos
Relaciones matemáticas útiles. Dilatación lineal y volumétrica. Coeficiente de compresibilidad y
módulo de Young.
Lección 4 Transferencia de calor
Introducción. Conducción del calor. Ley de Fourier. Radiación Térmica. Ley de Stefan–Boltzmann.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 1
Termómetros
Tipos de termómetros
Termómetro Propiedad termométrica
Mercurio Volumen
Resistencia Resistencia eléctrica
Termopar Fuerza electromotriz
Sal paramagn. Susceptibilidad magnética
Tira bimetálica Volumen
Gas a V constante Presión
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 2
Termometría
Punto tripleTemperatura (K) Presión (10
5Pa)
Helio-4 2.17 0.0507
Hidrógeno 13.84 0.0704
Deuterio 18.63 0.171
Neon 24.57 0.432
Oxígeno 54.36 0.00152
Nitrógeno 63.18 0.125
Amoniaco 195.40 0.0607
Dióxido de azufre 197.68 0.00167
Dióxido de carbono 216.55 5.17
Agua 273.16 0.00610
Tomada de Young, University Physics, 8th Ed., Table 16-3
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 3
Termometría
Diferencias entre termómetros
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 4
Termometría
Esquema de un termómetro de gas avolumen constante
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 5
Termometría
Escala absoluta de temperatura
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 6
Termometría
Puntos fijos básicos
Substancia Estado T (K) Substancia Estado T (K)
Hidrógeno PT 13.81 Hidrógeno PEN 20.28
Neon PEN 27.102 Oxígeno PEN 54.361
Argon PT 83.798 Oxígeno PEN 90.188
Agua PT 273.16 Agua PEN 373.125
Estaño PFN 505.074 Zinc PFN 692.664
Plata PFN 1235.08 Oro PFN 1337.58
Tomado de Zemansky & Dittman, “Calor y Termodinámica”.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 7
Termometría
Puntos fijos básicos ITS-90
T90/K t90/◦C Punto T90/K t90/◦C
0.65,3.2 -271.90,-270.97 He V 3,5 -270.15,-268.15 He V
13.8033 -259.3467 H2 T 24.5561 -248.5939 Ne T
54.3584 -218.7916 O2 T 83.8058 -189.3442 Ar T
234.3156 -38.8344 Hg T 273.16 0.01 H20 T
302.9146 29.7646 Ga S 429.7485 156.5985 In F
505.078 231.928 Sn F 692.677 419.527 Zn F
933.473 660.323 Al F 1234.93 961.78 Ag F
1337.33 1064.18 Au F 1357.77 1084.62 Cu F
Tomado de http://www.its-90.com/index.html.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 8
Escalas Intern. de Temperatura
Diferencias ITS-90/IPTS-68
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 9
Calor
Benjamin Thompson, Conde Rumford
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 10
Capacidad calorífica
Capacidad calorífica específica y molar
c (J/g K) C (J/mol K) c (J/g K) C (J/mol K)
Aluminio 0.900 24.3 Bismuto 0.123 25.7
Cobre 0.386 24.5 Bronce 0.380 ...
Oro 0.126 25.6 Plomo 0.128 26.4
Plata 0.233 24.9 Tungsteno 0.134 24.8
Zinc 0.387 25.2 Mercurio 0.140 28.3
Etanol 2.4 111 Agua 4.186 75.2
Hielo (-10◦C) 2.05 36.9 Granito .790 ...
Capacidades caloríficas a T = 20◦C.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 11
Cambios de fase
Superficie pVT (gas ideal)
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 12
Cambios de fase
Superficie pVT
Tomado de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html#hph
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 13
Cambios de fase
AguaCalores latentes: Lf = 335 J/g, Lv = 2500 J/g
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 14
Dilatación
Expansión térmicaL0
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∆ L
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 15
Dilatación
Coeficientes de dilatación
Material α (×10−6 ◦C) Material α (×10
−6 ◦C)
Vidrio 9 Vidrio (pyrex) 4
Cuarzo 0.59 Aluminio 24
Cobre 17 Hierro 12
Acero 13 Platino 9
Tungsteno 4.3 Oro 14
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 16
Elasticidad
Módulos de elasticidadMaterial Y (×10
10 Pa) B (×1010 Pa)
Vidrio 6 5
Aluminio 7 7.5
Cobre 11 14
Hierro 21 16
Acero 20 16
Níquel 21 17
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 17
Transferencia de Calor
Mecanismos: conducción, convección, radiación
Conducción: ley de Fourier
H =dQ
dt= −KA
dT
dx→ H = −KA
∆T
∆x
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 18
Conductividad térmica
Material K (W/m K) Material K (W/m K)
Diamante 1000 Plata 406.0
Cobre 385.0 Oro 314
Aluminio 205.0 Hierro 79.5
Plomo 34.7 Mercurio 8.3
Hielo 1.6 Agua a 20◦C 0.6
Fibra de vid. 0.04 Ladrillo (aisl.) 0.15
Ladrillo 0.6 Corcho 0.04
Poliestireno 0.033 Poliuretano 0.02
Madera 0.12-0.04 Aire a 0◦C 0.024
Helio (20◦C) 0.138 Hidrógeno (20◦C) 0.172
Nitrógeno(20◦C) 0.0234 Oxígeno (20◦C) 0.0238
Tomado de Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5 y del CRC Handbook
of Chemistry and Physics.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 19
Transferencia de Calor
Círculos de piedra en latitudes polaresVer referencias.
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 20
Transferencia de Calor
Convección
Celdas de Benard
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 21
Transferencia de Calor
RadiaciónRadiación: ley de
Stefan-Boltzmann
M = σT 4
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 22
Bibliografía
F.W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young y R. A. Freedman. Física Universitaria.
Vol. I. Addison-Wesley Iberoamericana, 2004.
H.C. van Ness. Understanding Thermodynamics. Dover (New York), 1969.
(**) M.W. Zemansky y R.H. Dittman. Calor y Termodinámica. McGraw-Hill(México), 1984.
J.M. Courty y E. Kierlik. ¿Cuándo se hielan los lagos?, Investigación y Ciencia,junio 2002.
J.M. Courty y E. Kierlik. Círculos de piedras, Investigación y Ciencia, julio 2006.
MA. Gilabert y J. Pellicer, Phys. Educ. 31 52 (1996).
Tema I – Fısica 1er curso CCAA – http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/– p. 23