Física para Ciencias: Termodinámica Dictado por: Profesor Aldo Valcarce 1er semestre 2014 FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 La Termodinámica Trata de: Calor (energía térmica) Temperatura Dilatación Comportamiento de gases (tratamiento macroscópico) Variables de estado – presión, temperatura y densidad. El gas ideal FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 la Energía Térmica (o calor). se intercambia energía térmica entre ellos. Dos objetos en equilibrio térmico están a la misma temperatura. La energía térmica está relacionada a la energía cinética que tienen los átomos o moléculas de la materia.Temperatura La temperatura está asociada con una forma de energía. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Llegarán a un equilibrio (equilibrio térmico) cuando dejen de tener un intercambio de energía entre ellos – cuando estén a la misma temperatura. Si dos objetos con temperaturas diferentes se ponen en contacto (contacto térmico). A FIS109C – 2: Física para Ciencias C B 1 er semestre 2014 . entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre si.Ley cero de la termodinámica Si los objetos A y B se encuentran por separado en equilibrio térmico con un objeto C. Termómetros Basados en alguna propiedad física de un sistema que cambia con la temperatura: Volumen de un líquido Longitud de un sólido Presión de un gas a volumen constante Volumen de un gas a presión constante Resistencia eléctrica de un conductor Color de un objeto FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Escalas de Temperatura Celsius La escala de temperatura Celsius se define por: Punto de congelación de agua: Punto de ebullición de agua: Fahrenheit Quería abolir las temperaturas negativa: Mezcla de hielo. agua y cloruro de amonio: Punto de congelación de agua: Temperatura de cuerpo humano: FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Temperatura Absoluta: Kelvin Gas 1 Gas 2 Gas 3 Presión vs Temperatura FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . agua y cloruro de amonio: Punto de congelación de agua: Temperatura de cuerpo humano: Kelvin Esta es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de unidades. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .Escalas de Temperatura Celsius La escala de temperatura Celsius se define por: Punto de congelación de agua: Punto de ebullición de agua: Fahrenheit Quería abolir las temperaturas negativa: Mezcla de hielo. el cuerpo se expande (en todas direcciones). ¿Por qué? FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos Se encuentra experimentalmente que (en general) al aumentar la temperatura de un cuerpo. el cuerpo se expande (en todas direcciones). ¿Por qué? En un sólido a temperaturas normales. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . A medida que la temperatura del sólido aumenta. los átomos están separados por y vibran en torno a sus posiciones de equilibrio con una amplitud de .Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos Se encuentra experimentalmente que (en general) al aumentar la temperatura de un cuerpo. El sólido en conjunto se expande. los átomos vibran con mayor amplitud y la separación entre ellos aumenta. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos Se puede visualizar la expansión térmica como una ampliación fotográfica: El agujero se agranda en una sola pieza. Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos Suponemos que un objeto tiene una longitud inicial en determinada dirección a cierta temperatura. Si se aumenta la temperatura por . la longitud aumenta por Coeficiente de expansión lineal Aluminio: Cobre: Acero: Gasolina: Aire: FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Consideramos una placa cuadrada de metal.Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos Obviamente. el área está dada por: : es muy pequeño con Coeficiente de expansión de área Por un procedimiento similar se encuentra el coeficiente de expansión de volumen : con FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . también su área y volumen cambian. cuando aumentamos la temperatura de un objeto y éste se expande. si la longitud de cada lado cambia. Ejercicio vía de ferrocarril de acero tiene una longitud de cuando la Una temperatura es de . ¿Cuál es su longitud en un día caluroso con ? Acero: FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . entonces hay que suministrar energía. La cantidad de energía necesaria va a depender de la sustancia.Calor “Q” El calor (o la energía térmica) se define como la energía que se transfiere entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura. pero sólo 3875J para hacer lo mismo con 1kg de cobre. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Por ejemplo. Para elevar la temperatura de una sustancia hay que aumentar la energía térmica del mismo. se necesitan 4186J para aumentar la temperatura de 1kg de agua 1oC. 5 ºC a 16.Caloría Cantidad de calor necesaria para que 1 g de agua suba su temperatura en 1 ºC (específicamente de 15.5 ºC) Similarmente… 1 Btu: cantidad de calor necesaria para que una libra de agua suba su temperatura en 1 ºF (específicamente de 63 ºF a 64 ºF) Calor específico del agua FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . El calor específico es una propiedad de la sustancia: Agua Hielo Aluminio Cobre FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . La constante de proporcionalidad se llama calor específico : El calor específico (en el sistema SI) es el número de Joules necesario para aumentar la temperatura de de la sustancia en .El Calor Específico La energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia es proporcional a la masa de la sustancia y a la diferencia de temperatura. el calor perdido por una de las partes del sistema debe ser igual al calor ganado por la otra: Notar que cuando uno calcula el calor perdido. el calor pasa de la parte que está a mayor temperatura a las partes más frías.Calorimetría Cuando distintas partes de un sistema aislado se encuentra a diferentes temperaturas. Si el sistema está aislado (la energía no puede fluir hacia adentro ni hacia afuera de él) entonces de acuerdo con la conservación de energía. es negativo porque . FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . (se puede suponer que no hay pérdida de energía térmica y que la energía necesaria para calentar el vaso es despreciable) Agua FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .Ejercicio Calorimetría lingote metálico de se calienta a y después se deja caer en un Un vaso que contiene de agua cuya temperatura es . Si la temperatura final es . determine el calor específico del metal. Equivalente Mecánico del Calor Experimento de Joule (1843) FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . la sustancia sufra una alteración de una forma a otra: cambio de fase. o líquido a gas. La otra posibilidad es que en vez de cambiar la temperatura. de sólido a líquido. Por ejemplo. El calor necesario para cambiar la fase de una masa “m” de una sustancia es: Calor Latente de fusión. pero no siempre.El calor latente y cambios de fase Normalmente la transferencia de calor produce un cambio de temperatura. Calor Latente de vaporización. tiene unidades de o de +: Absorbe calor -: Cede calor FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . el conjunto agua+hielo no cambia su temperatura. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 . Ej: mientras un cubo de hielo se va derritiendo.Cambio de Fase Sólido → Líquido : Fusión Líquido → Gas : Ebullición Gas → Líquido : Condensación Líquido → Sólido : Solidificación Sólido → Gas : Sublimación Los cambios de fase ocurren a Temperatura Constante. Ejercicio ¿Cuánto calor se necesita para cambiar un gramo de hielo a en vapor de agua a ? T (oC) Vapor 100 Hielo 0 -30 FIS109C – 2: Física para Ciencias Hielo + agua 62.7 Agua 396.7 3076 Calor (J) 1 er semestre 2014 .7 Agua + vapor 815. ¿A qué temperatura y Un en qué fase quedará la mezcla final? FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .Ejercicio: Calorimetría trozo de hielo de a se coloca en de agua a . Resumen Temperatura y Escalas Celsius Fahrenheit Kelvin Expansión Térmica Linear Área Volumen con con Calorimetría Calor Especifico Cambio de Temperatura Cambio de Fase FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 .