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Luis Angelats Silva
Unidad 01: Termodinmica
Curso:
Dr. Luis M. Angelats Silva [email protected]
Tema 1: Temperatura y Calor
FISICA II 2015 - I
UNT
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Departamento Acadmico de
Fsica
07/04/2015
Escuela de Ingeniera de Materiales
1. Sears-Zemansky-Freedman-Young, FISICA UNIVERSITARIA, Volumen
I.
2. P. Tipler-G. Mosca, Fsica para la ciencia y la tecnologa, Vol
I, 6ta Edic.
3. R. Serway J. Jewett, FISICA, Volumen I
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Luis Angelats Silva
1. Temperatura y equilibrio trmico:
07/04/2015
La temperatura de un sistema es una medida de la energa cintica
media de
las partculas que lo constituyen. Es tambin una magnitud que
refleja el nivel
trmico de un cuerpo, es decir, su capacidad para ceder energa
calorfica.
Movimiento atmico o molecular
Slido Lquido Gases (tomos en
movimiento)
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
CAMBIOS DE ESTADO
Slido
Lquido
Gas
Sublimacin
Fusin
Solidificacin
Vaporizacin
Licuefaccin
Sublimacin inversa
Cambios progresivos (el sistema absorbe calor)
Cambios regresivos (el sistema cede calor)
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Caliente
El equilibrio trmico es una situacin en la que dos objetos o
sistemas dejan de intercambiar energa por calor o radiacin
electromagntica si se ponen en
contacto trmico
EQUILIBRIO TRMICO:
Mayor
temperatura
Menor
temperatura
calor
Misma temperatura
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Ley Cero de la Termodinmica:
Cmo medimos la temperatura?
C
Equilibrio trmico (TA = TB)
Podemos considerar la temperatura como la propiedad que
determine si un objeto est en equilibrio trmico con otros objetos
(Definicin macroscpica)
Si inicialmente C est en equilibrio trmico con A
y con B, entonces A y B tambin estn en equilibrio
trmico entre s
Aislante
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Luis Angelats Silva 07/04/2015
2. Termmetros y escalas de la temperatura:
Fundamento para la construccin de los
termmetros:
Cambio en el volumen de un lquido
Cambio en la longitud de un slido
Variacin de la presin de un gas a volumen
constante
Cambio en el volumen de un gas a presin
constante
La resistencia elctrica de un conductor
Cambio del color de un objeto
Ejemplo: Dilatacin del mercurio por efecto
del agua caliente en el tubo de ensayo
20C
30C
Si se introduce un termmetro en una olla de agua caliente y se
registra la lectura de
aqul, qu temperatura se registrar? i) la temperatura del agua;
ii) la temperatura del
termmetro; iii) un promedio igual de las temperaturas del agua y
el termmetro;?
Pregunta de anlisis 1:
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- Termmetros basados en dilatacin de un slido:
- Termmetros de infrarrojo:
La energa emitida en el infrarrojo es
proporcional a la cuarta potencia de la
temperatura del objeto, lo cual es detectado por
un sensor ptico que mide la energa trmica
emitida por el objeto. La seal analgica del
sensor es amplificada y convertida por un
circuito en una variable fsica (temperatura),
permitiendo visualizar en una pantalla la
medicin en grados Celsius o Fahrenheit.
Rango de medicin: -50 C a +800C
( = 11 x 10-6 (C-1)).
( = 19 x 10-6 (C-1).
Cintas metlicas empleadas como interruptor de contacto elctrico
en un termostato. Una cinta
bimetlica se dobla cuando cambia la temperatura, porque los dos
metales tienen diferentes
coeficientes de expansin.
Acero
Latn
Temperatura ambiente Temperatura superior
On Off 25C 30C
Cinta
bimetlica
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Escala Celsius (Tc) y Fahrenheit (TF):
100 C, 212 F 100 divisiones de 1 C
18032
1000
FC TT
180 divisiones de 1 F
0 C, 32 F
Agua + hielo Agua + vapor
100
Tc , TF
)32(95
FC TT
FC TT 95 Equivalencia
entre cambios
de temperatura
1. Qu temperatura Fahrenheit es 15 bajo cero en escala Celsius?
Qu temperatura
Celsius es 15 bajo cero en escala Fahrenheit? Rptas: 5F,
-26.1C.
Ejercicios:
2. Si la temperatura sube en 30 C. en cuntos grados F sube la
temperatura?
Rpta: TF = 54 .
3. La temperatura controlada durante un tratamiento trmico de
recocido de un acero es de:
(550.8 5.7)C. (a) Cul es la precisin del instrumento? (b)
Exprese este resultado en F
y en Kelvin (K).
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Luis Angelats Silva
Relacin entre escalas mas usadas para medir la temperatura:
T CT FT )32(95
FC TT
15.273 CTT
Ejercicio 4.
Ordene de mayor a menor las siguientes temperaturas: i) 0.00 C;
ii) 0.00 F; iii) 260.00 K;
iv) 77.00 K; v) 2180.00 C.
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3. El termmetro de gas de volumen constante y la escala absoluta
de
temperatura:
Calibracin:
Un termmetro de gas a
volumen constante mide la
presin del gas contenido
en el frasco inmerso en el
bao
Grfica de presin vs.
temperatura tomada con un
termmetro de gas a
volumen constante
Pruebas experimentales de presin vs.
temperatura, en las que los gases tiene
presiones diferentes en un termmetro
de gas a volumen constante.
Todos los datos
extrapolados llegan a
presin cero a la misma
temperatura: 273.15 C Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
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Luis Angelats Silva
0
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Temperaturas absolutas a las que se
presentan varios procesos fsicos
(Escala logartmica)
Un termmetro de gas de volumen constante est calibrado en hielo
seco (es decir, dixido de
carbono en estado slido, que tiene una temperatura de -80C) y en
alcohol etlico en
ebullicin (78.0C). Las dos presiones son 0.900 atm y 1.635 atm.
(a) Qu valor Celsius del
cero absoluto da la calibracin? Cul es la presin en (b) el punto
de congelacin del agua y
(c) el punto de ebullicin del agua?
Ejercicio 5:
15.273 CTT
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Luis Angelats Silva
Expansin trmica de slidos y lquidos:
EXPANSIN LINEAL:
Modelo oscilatorio de las posiciones
atmicas por efecto de la
temperatura. A mayor temperatura,
mayor amplitud de vibracin.
10-10 m
Coeficiente de expansin lineal
L
TLL
0/
0TTT 0LLL
donde,
L0
L
)( 000 TTLLL
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La expansin trmica es una consecuencia
del cambio en el promedio de separacin
entre los tomos en un cuerpo.
TLL 0
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Los agujeros se hacen ms grandes o ms pequeos cuando se
calienta la lmina?
una cavidad en una pieza de material se expande en la misma
forma como si la cavidad estuviera llena con
el material
Expansin o dilatacin trmica de una arandela
homognea de metal. Conforme la arandela es
calentada, todas las dimensiones se
incrementan.
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TVV
0/ )( 000 TTVVV
Con: = 3
V0
V
Demostrar!!
Tarea: Demostrar que el cambio en rea de una placa
rectangular est dada por: TAA 02
EXPANSIN DE VOLUMEN:
Coeficiente de expansin de volumen
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Luis Angelats Silva 07/04/2015
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
Pregunta de anlisis 2:
Si a un estudiante le piden hacer un termmetro de vidrio muy
sensible, cul de los
siguientes lquidos de trabajo escogera? (a) mercurio, (b)
alcohol, (c) gasolina (96 x
10-5C-1), (d) glicerina
Pregunta de anlisis 3:
Dos esferas estn hechas del mismo material y tienen el mismo
radio, pero una es
hueca y la otra es slida. Las dos esferas son llevadas al mismo
aumento de
temperatura, cul se expande ms? La esfera slida, la esfera hueca
o ambas se
expande la misma cantidad?
Un evaluador usa una cinta mtrica de acero que tiene exactamente
50.000 m de longitud
a una temperatura de 20 C. Qu longitud tiene en un da caluroso
de verano en el que la
temperatura es de 35 C? Rpta: 50.009 m
Ejercicio 6:
Ejercicio 7:
Un frasco de vidrio con volumen de 200 cm3 se llena hasta el
borde con mercurio a
20 C. Cunto mercurio se desbordar si la temperatura del sistema
se eleva a
100 C? El coeficiente de expansin lineal del vidrio es de
0.40x10-5 K-1.
Rpta: 2,7cm3
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
Ejercicio 8: El corto electrotrmico
Un dispositivo electrnico ha sido diseado en forma deficiente de
modo que dos tronillos
unidos a piezas diferentes del dispositivo casi se tocan entre s
en su interior (ver Fig.). Los
tornillos de acero (12 x 10-6 K-1) y latn (20 x 10-6 K-1) estn a
diferentes potenciales
elctricos y si se tocan se produce un cortocircuito daando al
dispositivo. Si la distancia
entre los extremos de los tornillos es 5.0 m a 27C, a qu
temperatura se tocarn los
tronillos? Rpta: ??.
Analice el siguiente ejercicio:
Acero Latn
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EXPANSIN TRMICA DEL AGUA:
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
ESFUERZO TRMICO:
Los esfuerzos trmicos se presentan por efecto de la
dilatacin o contraccin debido a cambios de temperatura.
El cambio fraccionario de longitud si la varilla estuviera
libre
sera:
TLL
trmico
0
Por la definicin del mdulo de Young:
0LLAF
Y//
AY
FLL
tensin
0
Si la longitud tiene que ser constante, el cambio fraccionario
total de longitud
debe ser cero. Por lo que implica:
000
AYF
TLL
LL
tensintrmico
TYAF (Esfuerzo trmico)
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
Ejemplo de esfuerzo trmico:
Solucin
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07/04/2015 Luis Angelats Silva
Ejercicio 9:
Un segmento de va de acero para ferrocarril tiene una longitud
de 30 000 m cuando la
temperatura es 0.0 C. (a) Cul es la longitud cuando la
temperatura es 40.0 C? (b)
Suponga que los extremos del riel estn rgidamente sujetos a 0.0
C de modo que se
impide su expansin cul es el esfuerzo trmico establecido en el
riel si su temperatura
se eleva a 40.0 C?(Mdulo de Young para el acero: Y = 20 x1010
N/m2) (c) Qu pasara
si la temperatura baja a -40.0 C? cul es la longitud del
segmento no sujeto?
