Termod 1 2011 I Ing. Ambien

Luis Angelats Silva

Termodinámica

Curso:

Luis M. Angelats [email protected]

PRIMERA UNIDAD: Cap.1

FISICA II – 2010 - I

UNT

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLODepartamento Académico de Física

17/05/2011

Escuela de Ingeniería Ambiental

Luis Angelats Silva

1. Temperatura y equilibrio térmico:

17/05/2011

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es

decir, su capacidad para ceder energía calorífica. La temperatura depende del

movimiento de las moléculas que componen a la sustancia, si éstas están en

mayor o menor movimiento, será mayor o menor su temperatura

respectivamente.

Movimiento atómico o molecular: “Movimiento Browniano”

Sólido Líquido Gases

17/05/2011Luis Angelats Silva

CAMBIOS DE ESTADO

Sólido

Líquido

Gas

Sublimación

Fusión

Solidificación

Vaporización

Licuefacción

Sublimación inversa

Cambios progresivos (el sistema absorbe calor)

Cambios regresivos (el sistema cede calor)

17/05/2011

Luis Angelats Silva

Caliente Frío

“El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos dejan de

intercambiar energía por calor o radiación electromagnética si se ponen en

contacto térmico”

EQUILIBRIO TÉRMICO:

Balance Térmico de la Tierra: Efecto invernadero (“The Greenhouse Effect”)

17/05/2011 Luis Angelats Silva

Ley Cero de la Termodinámica:

“Si los objetos (A y B) están separadamente en

equilibrio térmico con un tercero objeto (C), entonces

(A y B) están en equilibrio térmico entre sí”.

¿Cómo medimos la temperatura?

C

Equilibrio térmico (TA = TB)

“Podemos considerar la temperatura como la propiedad que determine si un objeto

está en equilibrio térmico con otros objetos”

Luis Angelats Silva

Pregunta de análisis 1:

Si dos objetos, con diferentes tamaños, masas y temperaturas diferentes, se colocan

en contacto térmico, la energía se transfiere ¿del objeto más grande al más

pequeño? ¿del objeto con más masa al de menos masa? ¿del objeto a temperatura

más alta al de temperatura más baja?

17/05/2011

2. Termómetros y escalas de la temperatura:

Fundamento para la construcción de los

termómetros:

Cambio en el volumen de un líquido

Cambio en la longitud de un sólido

Variación de la presión de un gas a volumen

constante

Cambio en el volumen de un gas a presión

constante

La resistencia eléctrica de un conductor

Cambio del color de un objeto

Ejemplo: Dilatación del mercurio por efecto

del agua caliente en el tubo de ensayo

20°C

30°C


- Termómetros basados en dilatación de un sólido:

- Termómetros de infrarrojo:

La energía emitida en el infrarrojo es

proporcional a la cuarta potencia de la

temperatura del objeto, lo cual es detectado por

un sensor óptico que mide la energía térmica

emitida por el objeto. La señal analógica del

sensor es amplificada y convertida por un

circuito en una variable física (temperatura),

permitiendo visualizar en una pantalla la

medición en grados Celsius o Fahrenheit. Bajas temperaturas

-10 °C a +100°C Altas temperaturas

-50 °C a +800°C

( = 11 x 10-6 (°C-1)).

( = 19 x 10-6 (°C-1).

Cintas metálicas empleadas como interruptor de contacto eléctrico en un

termostato. Una cinta bimetálica se dobla cuando cambia la temperatura,

porque los dos metales tienen diferentes coeficientes de expansión.

Luis Angelats Silva

Escala Celsius (Tc) y Fahrenheit:

100 °C, 212 °F100 divisiones de 1 °C

180

32

100

0 FC TT

180 divisiones de 1 °F

0 °C, 32 °F

Agua + hielo Agua + vapor

100

Tc , TF

)32(9

5FC TT

FC TT9

5 Equivalencia

entre cambios

de temperatura

1. Un termómetro Celsius marca 50 ºC ¿Cuánto marcaría un termómetro Fahrenheit? Rpta:

122 °F

Ejercicios:

2. Si la temperatura sube en 30ºC. ¿en cuántos grados ºF sube la temperatura?

Rpta: TF = 1.88 Tc = 54 °C.

3. Un termómetro de precisión reporta que la temperatura ambiente es de: (24.8 0.8)°C.

Exprese este resultado en °F y en Kelvin (K).

Luis Angelats Silva

Relación entre escalas mas usadas para medir la temperatura:

T CT FT)32(

9

5FC TT

15.273CTT


3. El termómetro de gas de volumen constante y la escala absoluta de

temperatura:

Calibración:

Un termómetro de gas a

volumen constante mide la

presión del gas contenido

en el frasco inmerso en el

baño

Gráfica de presión vs.

temperatura tomada con un

termómetro de gas a

volumen constante

Pruebas experimentales de presión vs.

temperatura, en las que los gases tiene

presiones diferentes en un termómetro

de gas a volumen constante.

Luis Angelats Silva

0°

17/05/2011

Temperaturas absolutas a las que se

presentan varios procesos físicos

(Escala logarítmica)

Un termómetro de gas de volumen constante está calibrado en hielo seco (es decir, dióxido de

carbono en estado sólido, que tiene una temperatura de -80°C) y en alcohol etílico en

ebullición (78.0°C). Las dos presiones son 0.900 atm y 1.635 atm. (a) ¿Qué valor Celsius del

cero absoluto da la calibración? ¿Cuál es la presión en (b) el punto de congelación del agua y

(c) el punto de ebullición del agua?

Ejercicio 4:

15.273CTT

Luis Angelats Silva

Expansión térmica de sólidos y líquidos:

DILATACION TERMICA:

Movimiento oscilatorio de las

posiciones atómicas por efecto de la

temperatura. A mayor temperatura,

mayor amplitud de vibración.

10-10 m

4.1 Coeficiente de dilatación lineal:

L T

LL i/

if TTT

if LLLdonde,

Li

Lf

)( ifiif TTLLLó

17/05/2011

La expansión térmica es una consecuencia del cambio en

el promedio de separación entre los átomos en un cuerpo.

TLL ió


¿Los agujeros se hacen más grandes o más

pequeños?

“una cavidad en una pieza de material se expande

en la misma forma como si la cavidad estuviera

llena con el material”

Expansión o dilatación térmica de una arandela

homogénea de metal. Conforme la arandela es

calentada, todas las dimensiones se incrementan.

Luis Angelats Silva

4.2 Coeficiente de dilatación volumétrica:

T

VV i/ó )( ifiif TTVVV

Con: = 3

Vi

Vf

Demostrar!!

Tarea: Demostrar que el cambio en área de una placa

rectangular está dada por: TAA i2

Luis Angelats Silva

17/05/2011


Ejercicio 5:

Un segmento de vía de acero para ferrocarril tiene una longitud de 30 000 m cuando la

temperatura es 0.0 °C. (a) ¿Cuál es la longitud cuando la temperatura es 40.0 °C? (b)

Suponga que los extremos del riel están rígidamente sujetos a 0.0 °C de modo que se

impide su expansión ¿cuál es el esfuerzo térmico establecido en el riel si su temperatura

se eleva a 40.0 °C?(Módulo de Young para el acero: Y = 20 x1010 N/m2) (c) ¿Qué pasaría

si la temperatura baja a -40.0 °C? ¿cuál es la longitud del segmento no sujeto?


Si a un estudiante le piden hacer un termómetro de vidrio muy sensible, ¿cuál de los

siguientes líquidos de trabajo escogería? (a) mercurio, (b) alcohol, (c) gasolina (96 x

10-5°C-1), (d) glicerina


Dos esferas están hechas del mismo material y tienen el mismo radio, pero una es

hueca y la otra es sólida. Las dos esferas son llevadas al mismo aumento de

temperatura, ¿cuál se expande más? La esfera sólida, la esfera hueca o ¿ambas se

expande la misma cantidad?


Ejercicio 6: El corto electrotérmico

Un dispositivo electrónico ha sido diseñado en forma deficiente de modo que dos tronillos

unidos a piezas diferentes del dispositivo casi se tocan entre sí en su interior (ver Fig.). Los

tornillos de acero (11 x 10-6°C-1) y bronce (19 x 10-6°C-1) están a diferentes potenciales

eléctricos y si se tocan se produce un cortocircuito dañando al dispositivo. Si la distancia

entre los extremos de los tornillos es 5.0 m a 27°C, ¿a qué temperatura se tocarán los

tronillos? Rpta. 34°C.

Analice el siguiente ejercicio:

Luis Angelats Silva

5. DESCRIPCION MACROSCOPICA DE UN GAS IDEAL (gas de baja densidad):

En el modelo de gas ideal se supone que las moléculas son partículas

puntuales que colisionan o interaccionan entre sí. Cada molécula se

mueve en línea recta hasta que choca con las paredes del recipiente y

retrocede.

Un gas ideal confinado en

un cilindro cuyo volumen

puede ser variado por

medio del movimiento del

pistón.

Ecuación de estado para un gas ideal:

nRTPV Ley del gas ideal

donde,

M

mn Número de moles relacionada a la masa m

y, M = Masa molar de la sustancia

Ejemplo: La masa molar de cada elemento químico es la masa atómica

expresado en g/mol. Así: la masa de un átomo de He es 4.00 u (unidades de

masa atómica), de modo que la masa molar del He es 4.00 g/mol.

R Constante universal de los gases [8.315 J/mol.K ó 0.08214 L.atm/mol.K]

Observación: Un mol de cualquier sustancia es la cantidad de la

sustancia que contiene el número de Avogadro NA = 6.022 x 1023 de

partículas constitutivas (átomos o moléculas)”

17/05/2011

“Un gas es considerado ideal cuando

PV/nT es constante a todas las presiones”

Luis Angelats Silva

Como también n = N/NA, entonces podemos expresar la ley de los gases ideales en

términos del número de moléculas N:

RTN

NnRTPV

A

ó TNkPV B

NA Número de Avogadro= 6.022 x 1023 (partículas

contituyentes: átomos o moléculas)

KB Constante de Boltzman = = 1.38 x 10-23 J/KA

BN

Rk

Un gas ideal ocupa un volumen de 100 cm3 a 20°C y 100 Pa. (a) Encontrar el número de

moles de gas en el recipiente. (b) ¿Cuántas moléculas existen en el container? Rpta: 4.11

x 10-6 mol, 2.47 x 1018 moléculas.

Ejercicio 7:

Ejercicio 8:

Una lata del aerosol conteniendo una gas propelente al doble de la presión atmosférica

(202 kPa) y que tiene un volumen de 125 cm3 está a 22 °C. Luego se arroja a un fuego

abierto. Cuando la temperatura del gas de la lata llega a 195 °C, ¿cuál es la presión del

interior de la lata? Asuma que cualquier cambio en el volumen de la lata despreciable.

Rpta. 320 kPa.

REVISAR PROBLEMAS TEXTO: R. SERWAY – J. W. Jewett , 6ta Edic. Vol. 1, págs.596 -602

17/05/2011

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