Unidad Física Térmica

7/26/2019 Unidad Fsica Trmica

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1Marcos Guerrero


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OBJETIVOS DE LA UNIDAD.OBJETIVOS DE LA UNIDAD.Indique que la temperatura determina la direccin de la transferencia de energiatrmica entre dos objetos.

Definir ex licar distin uir en forma macrosc ica microsc ica los

trminos temperatura , calor y energa interna.

Indique que la energa interna de una sustancia es la energa potencial total mas

la energa cintica aleatoria de las partculas de la sustancia.

Distin uir ex licar brevemente los diferentes termmetros escalas de

temperatura que ms se utilizan.

Indique la relacin entre las escalas de temperaturas Kelvin y Celsius.

Definir los coeficientes de dilatacin trmica lineal, superficial y volumtrica.Ex licar microsc icamente la ex ansin trmica de una slido.

Explicar y resolver problemas en situaciones prcticas relacionados con la

expansin lineal, superficial y volumtrica.

Definir y explicar los conceptos macroscpicos y microscpicos de capacidad

calorfica calor es ecfico calor latente a licarlos a diversos roblemas.

Explicar por qu diferentes sustancias puedes tener diferentes calores especficosy calores latentes.

Describir mtodos de determinar calores especficos y calores latentes, y resolver

los roblemas de situaciones rcticas.

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Describir las transformaciones entre estados/fases de materia en trminos

macroscpicos y microscpicos.


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Describir y explicar los cambios de estado con la temperatura en trminos

macroscpicos y microscpicos.

xp car en rm nos m crosc p cos por qu no cam a a empera ura cuan o se

transfiere energa dentro a fuera de una sustancia durante un cambio de estado/fase.

Distinga entre evaporacin y ebullicin.

Resolver problemas que impliquen tanto el calor especfico como el calor latente

espec co a rav s e a conservac n e a energ a en s s emas a s a os.

Describir y explicar mediante ejemplos prcticos los procesos de transmisin decalor: conduccin, conveccin y radiacin en trminos macroscpicos y

microscpicos.

eso ver pro emas so re ransm s n e ca or.

Explicar en trminos de la estructura microscpica las diferencias entre sustancias

con alta y baja conductividad trmica.

Defina mol y masa molar. e na a cons an e e voga ro.

Defina presin.

Describir simples experimentos para demostrar las relaciones entre presin, volumen

y temperatura de una masa de gas fija.

nunc ar as eyes macrosc p cas y m crosc p cas e una gas ea que re ac onan apresin, volumen y temperatura.

Resolver problemas utilizando la ecuacin de estado de un gas ideal PV = n RT.

Describir el modelo microscpico (cintico) de un gas, y explicar la presin y

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empera ura e gas en rm nos e mo e o c n co.

Indique que la temperatura es una medida de la energa cintica aleatoria media de

las partculas de un gas ideal.


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Utilizar el modelo microscpico (cintico) para explicar cualitativamente las relaciones

entre la presin, volumen, temperatura y cantidad macroscpicos de un gas.Explicar y distinguir entre los conceptos de temperatura, calor y energa interna, tanto en

trminos macroscpicos como microscpicos.

Formular la naturaleza de la termodinmica.

Definir calor, trabajo y energa interna y enunciar que son procesos de conversin de

energa.

Explicar y dar ejemplos de lo que se entiende por un sistema en termodinmica y porprocesos y ciclos termodinmicos.

Identificar y dar ejemplos de conversin de energa entre calor, trabajo y energa interna en

diferentes procesos.

Identificar y calcular el calor, energa interna y trabajo en procesos y ciclos

termodinmicos.

Representar diferentes procesos y ciclos termodinmicos en diagramas de presin-

volumen.

Deduzca una expresin para el trabajo desarrollado al cambiar el volumen de un gas, a

presin constante.

Enunciar la primera ley de la termodinmica, y aplicarlos en diversos procesos y ciclos

termodinmicos.Describa los cambios de estado isocricos (isovolumtricos), isobricos, isotrmicos y

adiabticos de un gas

ideal.

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Dibuje y anote los procesos y ciclos termodinmicos en diagramas PV.

Calcule a partir de un diagrama PV el trabajo realizado en un ciclo termodinmico.

xp car e concep o e un c c o ermo n m co y un mo or ermo n m co. ar e emp os

de tales motores.

Describir el funcionamiento del motor de combustin interna de cuatro tiempos,

identificando las diversas etapas y los procesos de conversin de energa.

xp car e concep o e en rop a, en cuan o se re ac ona con e esor en e un s s ema.

Enunciar la segunda ley de la termodinmica en trminos macroscpicos comprendiendolas limitaciones en la conversin de energa interna mecnica a trmica, y en trminos

microscpicos involucrando el aumento de entropa.

escr r y scu r os pr nc p os y unc onam en o s co e os re r gera ores y om as

de calor, y definir y aplicar la eficiencia trmica y el coeficiente de rendimiento.

Indique como la segunda ley de la termodinmica implica que la energa trmica no puede

ser transferida espontneamente desde una regin de baja temperatura hasta una regin dea a empera ura.

Discutir la importancia de la segunda ley de la termodinmica para diversos procesos.

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TEMPERATURA.

Es una cantidad escalar que mide en forma cualitativa cun caliente o

cun fro esta un objeto o sustancia.

e n c n macrosc p ca:

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La temperatura absoluta (temperatura medida en Kelvin) es

Definicin microscpica:

proporcional a la energa cintica promedio de traslacin de las

partculas que componen el objeto o sustancia.

21VmEC = Donde: VVV N

22

2

2

12 ....+++

tECT

2 N

Animacin.

La temperatura es una propiedad intensiva , es decir que no depende

del tamao del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente

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este compuesto.


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Explique, qu ocurre con la temperatura de un gas que esta

encerrado en un recipiente, tal como se muestra en la figura, cuando

Se tienen dos recipientes llenos con agua, un recipiente tiene 2 litros y

el otro recipiente tiene 4 litros, sin ambos tienen la misma temperatura,

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promedio de traslacin?


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Una muestra de gas ideal a una temperatura de 200 K

tiene un promedio de energa cintica de traslacin E.

Si la temperatura del gas se reduce a 50 K, el

romedio de la ener a cintica de traslacin ser:

A. E/2B. 2E

.

D.4E

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Para ue el ob eto A ten a una altatemperatura absoluta que el objeto B, el

objeto A debera tener un:

A. alto promedio de energa potencialgravitacional.

. e e e e e

elctrica.

.

traslacin.

D. alto promedio de energa cintica de

rotacin.

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Cul grfico representa mejor la relacin

entre la temperatura absoluta (Tk) de un gas

ideal y el promedio de la energa cintica de

k

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.Existen muchos tipos de escalas de temperatura.

Para construir un termmetro (medidor de temperatura), hay que definiruna escala de temperatura y para esto se necesita conocer:

na prop e a que var e con a empera ura, ama o prop e a

termomtrica.

Elegir dos puntos fijos de temperatura, un punto fijo menor y un punto

fijo mayor, para formar un intervalo de temperatura.

Dividir en partes iguales el intervalo de temperatura seleccionado.

Si se quiere determinar un valor que est dentro del intervalo se

interpolay se el valor a determinar est fuera del intervalo seextrapola.

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Para determinar la temperatura T en trminos de la propiedad

termomtrica X, podemos utilizar el siguiente grfico:

T

BT

A

?=MTN( )( ) B

BA

BM

M TNXX

XX

T +

=

Propiedad termomtrica XBX

AX

M

X

: es el valor de temperatura en el punto fijo alto.

: es el valor de temperatura en el punto fijo bajo.BTAT

: es el valor de temperatura medido.:es el nmero de divisiones que se escoge para dividir el

intervalo de temperatura.

M

N

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.

: es el valor de la propiedad termomtrica en el punto fijo bajo.

: es el valor de la propiedad termomtrica medido.

BXA

MX


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utilizando la propiedad X de una sustancia.

caracterstica de la propiedad X?A. El valor de la propiedad debe ser cero a

cero Kelvin.

B. La propiedad debe aumentar al hacerlo laempera ura.

C. La propiedad debe tomar un valor diferente

.D. El valor de la propiedad debe variar

linealmente con la tem eratura Kelvin.

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ALGUNOS TIPOS DE TERMMETROS.emp os e erm me ros:

Gas mantenido a volumen constante: En este termmetro la presin

sera la propiedad termomtrica, y en funcin de la presin se

Gas mantenido a presin constante: La propiedad termomtrica es ahorael volumen.

propiedad termomtrica, y en funcin de la resistencia elctrica se

establecera la escala de temperatura.

de mercurio o alcohol con colorante.

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TERMMETRO DE GAS A VOLUMEN

.El termmetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene un

margen de aplicacin extraordinario: desde -27 C hasta 1477 C.

El termmetro de gas a volumen constante se compone de un

recipiente con gas helio, hidrgeno oxgeno o nitrgeno, segn la

gama de temperaturas deseada y un manmetro con mercurio

me or e a pres n.

termmetro es que el gas

puede pasar a lquido por la

presin.

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Se pone el recipiente del gas en el ambiente cuya temperatura hay

que medir. Primero se ajusta el termmetro colocando el recipiente en

e o y uego en agua que es a , con esos va ores etemperatura se ajusta de tal manera que el gas en el recipiente sea

constante, es decir, moviendo el tubo del lado derecho hasta que el

nivel del mercurio del tubo del lado izquierdo este en el 0 de la escala.

Luego se obtienen las alturas de presin, es decir, el valor de presin

y se construye la siguiente grfica:

Luego de obtener la curva, se puede medir cualquier valor de presin,

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derecho. Por ultimo vamos a la grfica P vs. T para obtener el valor de

temperatura.


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Si el recipiente que contiene el gas tuviera diferentes gases el

comportamiento de la grfica P vs. T no cambia, es decir, sigue siendo

.izquierdo nos vamos a fijar que llega a -273.15 C

La temperatura donde la presin es cero se conoce comotemperatura

absoluta (0 K).

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Qu es el cero absoluto de temperatura?

El cero absoluto de temperatura (0K) es la temperatura ms baja quetericamente se puede alcanzar. En el cero absoluto las partculas del cuerpoo sustancia estn paradas. Esto es, no tienen energa cintica.

0K= -273C.

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Qu es el cero absoluto de temperatura?

Esta temperatura es imposible de alcanzar, pues el cuerpo o sustanciadebera de estar totalmente aislado de cualquier fuente de calor, lo que no es

posible.

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El grafico adjunto representa la relacin entre

traslacin de las partculas de un gas ideal y la

tem eratura en Celsius.

El punto X representa la temperatura de:0.

B. 00C

C. 1000C

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D. -2730C


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TERMMETRO CLNICO DE CRISTAL.Los primeros termmetros se fabricaron en base a el principio de la

dilatacin trmica (propiedad termomtrica), por lo que se prefiere el

uso de materiales con un coeficiente de dilatacin trmica alto de

, ,

fcilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de

termmetros ha sido el mercurio o alcohol con colorante (para ser

visible) encerrado en un tubo de cristal que incorporaba una escala

graduada.

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Para la construccin de un termmetro clnico de cristal se sigue los

si uientes asos:

1. Elegir 2 valores de temperaturas, una es la temperatura del punto

de fusin del agua (tambin llamado temperatura del punto de

conge ac n e agua y a o ra, a empera ura e pun o e

ebullicin del agua (tambin llamado temperatura del punto decondensacin del agua).

2. Dividir en partes iguales el intervalo de temperaturas escogido.

Elpunto de fusin o punto congelacinde una sustancia se define como latemperatura a la cual coexisten las fases slida y lquida, y es en este

momento que ocurre un cambio de fase.

la temperatura a la cual coexisten las fases lquida o gaseosa, y es en este

momento que ocurre un cambio de fase.

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ESCALAS DE TEMPERATURA.

Existe un sin nmero de escalas de temperatura, sin embargo, slo

mencionaremos las 3 ms importantes; pero todas se basan en la

dilatacin trmica lineal (propiedad termomtrica).

AT

= TTLL

BT NLL BA=

Dilatacin trmica linealBL ALML

: es el valor de temperatura del punto de ebullicin del agua.

: es el valor de temperatura del punto de fusin del agua.BTAT

: es el valor de temperatura medido.:es el nmero de divisiones que se escoge para dividir el

intervalo de temperatura.

M

N

.

: es el valor de la longitud en el punto fijo bajo.

: es el valor de la longitud medido.

BLA

ML

Animacin. 28Marcos Guerrero


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Independientemente en que escala se trabaje, la dilatacin trmica lineal

es la misma en los 3 termmetros.

Animacin.

180

32

100

0

100

273 00 =

=

=

FCKBM

TTT

LL

LL

De este resultado podemos concluir que la variacin de temperatura en

la escala Kelvin es la misma variacin de temperatura en la escala

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.CK

TT 0=


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Determinar la relacin que existe entre la escala Kelvin y la escala

Celsius.

Determinar la relacin que existe entre la escala Kelvin y la escala

Fahrenheit.

Determinar la relacin que existe entre la escala Celsius y la escala

Fahrenheit.

,es -15D y el punto de ebullicin del agua es de +60D. Obtener unaecuacin que relacione esta escala con la escala Celsius y luegodeterminar a cuantos D corresponde 30C

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Los intervalos de tem eratura de un radoCelsius (0C), un Kelvin (K) y un grado

Fahrenheit (0F), estn relacionados

mediante:

A. 0C = K =0F

. =

C. 0C < K >0F0 = >0.

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En el siguiente diagrama muestra la posicin

e men sco e mercur o en un erm me roclnico.Cul de los siguientes valores

,

su incertidumbre?A. 6 00 50C

B.(6,10,1)0C

C.(6,20,2)0

CD.(6,20,5) C

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..Es la energa total almacenada en un tomo o molcula de unasustancia u objeto.

EnergaInterna

Otras formasde energa.

EnergaPotencial

Energacintica

PotencialElctrica

Potencialgravitacional

Cinticatraslacin

cinticarotacin

cinticavibracin

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CONTACTO TRMICO.es un es a o e os o m s o e os o sus anc as que se encuen ran encontacto fsico.

CALOR .Es un proceso de transferencia de energa de un objeto o sustancia

a otro, debido a una diferencia de temperatura en los objetos osustancias que se encuentran en contacto trmico.

La unidad de en el S.I. es el Joule (J).Q

,

objeto o sustancia de menor temperatura.

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ENERGA TRMICA.

Es un trmino especializado que se refiere a la parte de la energa interna

de un sistema relacionada con el total de la energa cintica presente

debida a los movimientos aleatorios de las artculas.

Estado de 2 o ms objetos o sustancias en contacto trmico cuando han

alcanzado una misma tem eratura.

.

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LEY CERO DE LA TERMODINMICALEY CERO DE LA TERMODINMICA

Si los cuerpos A y B, por separado, estn en equilibrio trmico conun tercer cuerpo C, entonces A y B estarn en equilibrio trmico uno

con otro si se ponen en contacto trmico

Los aislantes trmicos son conocidos como aredes adiabticas

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(madera, hormign, fibra de vidrio), en cambios los conductores

trmicos son conocidos como paredes diatrmanas ( metales)


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FUERZA Y ENERGA POTENCIALFUERZA Y ENERGA POTENCIAL

La fuerzas que mantiene unidas a las partculas (tomos y

mo cu as son as uerzas e ectromagn t cas y as

gravitacionales, sin embargo las fuerzas electromagnticasson muchos mayores que las fuerzas gravitacionales por lo

ue estas ultimas se ueden des reciar.

Inicos

Enlaces

pr mar os e cos

Covalentes

secundariosVanderwaals

Hidrgeno

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EF EPW

E=

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EE =


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EPE

rE

=

El negativo de la pendiente de una grfica energa potencia

elctrica vs. la distancia de separacin entre partculas nos dala fuerza elctrica.

La forma asimtrica de la grfica fuerza elctrica vs. la

distancia de separacin entre partculas con respecto al punto

de equilibrio nos indica la existencia de las diferentes fases.

posicin de equilibrio, las partculas comenzarn a tener un

M.A.S.

Dos artculas estn en e uilibrio cuando tienen la mnima

energa potencial elctrica entre ellas.

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DILATACIN TRMICA .DILATACIN TRMICA . Tambin llamado expansin trmica.

Es un fenmeno que cambia las dimensiones al cambiar la.

La dilatacin trmica puede ser lineal, superficial yvolumtrica (real).

a gran mayor a e os o e os o sus anc a se a an aaumentar la temperatura.

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COEFICIENTES DE DILATACINCOEFICIENTES DE DILATACIN

. .Sustancia ( )1 C

erro . x -

Aluminio 22.4 x 10 -6-6.

Plata 18.3 x 10 -6

Plomo 27.3 x 10-6

Nquel 12.5 x 10 -6

Acero 11.5 x 10 -6

nc . x

-

Vidrio 7.3 x 10 -6


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