el calor. calor latente y mas

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fisica

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2 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Introducción

Propiedades termométricas

Principio cero de la termodinámica.

Existencia de la temperatura.

Temperatura está relacionada con la energía

cinética de las moléculas

RESUMEN DE LO VISTO EN EL TEMA ANTERIOR

3 25/02/2013

1.- Introducción.

2.- Calor. Capacidad térmica y calor específico.

3.- Cambio de fase y calor latente.

4.- El experimento Joule: Primer principio de la termodinámica.

5.- Energía interna de un gas ideal.

6.- El trabajo y el diagrama PV para un gas.

7.- Capacidades caloríficas de gases.

8.- Capacidades caloríficas de sólidos.

9.- Expansión adiabática quasiestática de un gas.

ESQUEMA DE DESARROLLO

Calor y primer principio de la Termodinámica. Introducción

4 25/02/2013

Definición de calor

El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas

de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre

desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la

transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

Calor y primer principio de la Termodinámica. Calor. Capacidad térmica y calor específico

Puesto que el calor es un tipo de energía su unidad en el Sistema Internacional es

el Julio. Sin embargo desde un punto de vista histórico la primera unidad que se utilizó fue

la caloría definida como el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua

en un grado Celsius.

1 cal = 4,184 J

Unidades del calor

Radiación, conducción, convección.

La unidad de uso ordinario en los países de habla inglesa es la Btu ("British

thermal unit", unidad británica de calor), que se define como la cantidad de calor necesaria

para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit

1 Btu = 252 cal = 1,054 kJ

5 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Calor. Capacidad térmica y calor específico

La temperatura de un cuerpo generalmente aumenta cuando se le añade calor

(salvo en el caso de cambios de fase que estudiaremos más adelante). La cantidad de calor

Q necesaria para elevar la temperatura de un sistema es proporcional a la variación de

temperatura y a la masa de la sustancia

Q C T mc T

Capacidad térmica o calorífica

C = Capacidad térmica o calorífica de la sustancia = la energía térmica, o calor, necesaria

para aumentar un grado la temperatura de la sustancia.

c = C/m = Capacidad térmica por unidad de masa (depende del tipo de material).

c’ = C/n = calor específico molar (donde n número de moles).

Según la definición original de la caloría, el calor específico del agua es

agua 1 cal/(g ºC) = 1 kcal/(kg ºC) = 1 kcal/(kg º K) = 4,184 kJ/(kg º K) 1 Btual/(lb º F)c

6 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Calor. Capacidad térmica y calor específico

Sustancia c, kJ/(kg·ºK) c, kcal/(kg·ºK)

o Btu/(lb·ºF) c’, J/(mol·ºK)

Agua 4,18 1 75,2

Alcohol etílico 2,4 0,58 111

Aluminio 0,9 0,215 24,3

Bismuto 0,123 0,0294 25,7

Cobre 0,386 0,0923 24,5

Hielo (-10 ºC) 2,05 0,49 36,9

Mercurio 0,140 0,033 28,3

Oro 0,126 0,0301 25,6

Plata 0,233 0,0558 24,9

Plomo 0,128 0,0305 26,4

Tungsteno 0,134 0,0321 24,8

Vidrio 0,840 0,2

Zinc 0,387 0,0925 25,2

Calores específicos y calores molares de algunos sólidos y líquidos

7 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Cambio de fase y calor latente.

Ejemplo 1.- ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 3 kg de

cobre en 20 ºC? (ccobre=0,386 KJ/(Kg·ºK))

Ejemplo 2.- Un bloque de aluminio de 2 kg está inicialmente a 10 ºC. Si se le añaden

36 kJ de energía térmica, ¿Cuál es su temperatura final? (caluminio=0,900 KJ/(Kg·ºK)).

(Respuesta: 30 ºC)

Ejemplo 3.- Para medir el calor específico del plomo se calientan 600 g de perdigones

de este metal a 100 ºC y se colocan en un calorímetro de aluminio de 200 g de masa que

contiene 500 g de agua inicialmente a 17,3 ºC. El calor específico del aluminio del

calorímetro es 0,900 kJ/(kg·ºK). La temperatura final del sistema es 20 ºC, ¿Cuál es el

calor específico del plomo?

8 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Cambio de fase y calor latente.

El calor necesario para fundir una sustancia de masa m sin cambiar su temperatura

es proporcional a la masa de la sustancia

Calor latente de fusión

f fQ m L

Lf = Calor latente de fusión.

El calor necesario para convertir en gas un líquido de masa m sin cambiar su

temperatura es proporcional a la masa de la sustancia

Calor latente de vaporización

v vQ m L

Lv = Calor latente de vaporización.

9 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Cambio de fase y calor latente.

Punto de fusión normal (PF), calor latente de fusión Lf, punto de

ebullición normal (PE), y calor latente de vaporización Lv para varias

sustancias a 1 atm

Sustancia PF, ºK Lf, kJ/kg PE, ºK Lv, kJ/kg

Agua 273,15 333,5 373,15 2257

Alcohol etílico 158 109 351 879

Azufre 388 38,5 717,75 287

Bromo 266 67,4 332 369

Cobre 1356 205 2839 4726

Dióxido de

carbono - - 194,6 573

Helio - - 4,2 21

Mercurio 234 11,3 630 296

Nitrógeno 63 25,7 77,35 199

Oro 1336 62,8 3081 1701

Oxígeno 54,4 13,8 90,2 213

Plata 1234 105 2436 2323

Plomo 600 24,7 2023 858

Zinc 692 102 1184 1768

10 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Cambio de fase y calor latente.

Ejemplo 4.- ¿Cuánto calor es necesario suministrar para calentar a la presión

atmosférica 1 kg de hielo a -20 ºC hasta que todo el hielo se convierta en vapor?

Ejemplo 5.- Una botella de limonada ha permanecido todo el día sobre una mesa a 33

ºC. En un vaso de plástico echamos 0,24 kg de limonada y dos cubitos de hielo (cada

uno de 0,025 kg a 0 ºC).

(a).- Suponiendo que no hay pérdidas de calor a los alrededores, ¿cuál será la

temperatura final de la limonada?

(b).- ¿Cuál sería la temperatura final si añadimos 6 cubitos de hielo? Suponer que la

limonada tiene la misma capacidad calorífica que el agua.

11 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. El experimento Joule: Primer principio de la termodinámica.

Experimento de Joule

La temperatura de un sistema puede elevarse dándole calor, pero también puede conseguirse

realizando trabajo sobre él. Joule, en su famoso experimento, determinó el trabajo necesario para elevar

la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. La máquina de Joule convierte la energía

potencial de las pesas que caen en trabajo realizado sobre el agua Joule.

Existen otras formas de realizar trabajo sobre este

sistema. Sin embargo, en cualquier experimento de este

tipo se necesita la misma cantidad de trabajo para

producir un determinado cambio de temperatura.

Según la conservación de la energía, el trabajo realizado

debe convertirse en un incremento de la energía interna

del sistema.

12 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. El experimento Joule: Primer principio de la termodinámica.

Primer Principio de la Termodinámica

Si realizamos el experimento de Joule sustituyendo las paredes aislantes del recipiente por

paredes conductoras encontramos que el trabajo necesario para producir una variación determinada de

la temperatura del sistema no es siempre el mismo, sino que depende más bien de la cantidad de calor

que se añade o se quita del sistema por conducción a través de las paredes. Sin embargo, si medimos el

calor añadido o sustraído del sistema y el trabajo realizado sobre él, veremos que la suma del trabajo

realizado sobre el sistema, más el calor neto suministrado al mismo, es siempre la misma para una

variación dada de la temperatura. Es decir, la suma del calor añadido más el trabajo realizado sobre él

es igual a la variación de la energía interna del sistema. Este es el primer principio de la

termodinámica, que es simplemente un enunciado de la conservación de la energía.

El calor neto añadido a un sistema es

igual a la variación de la energía interna

del mismo más el trabajo realizado por

el sistema.

Q U W

dQ dU dW

Energía interna = Función de estado

13 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. El experimento Joule: Primer principio de la termodinámica.

Ejemplo 6.- Un sistema está compuesto por 3 kg de agua a 80 ºC. Sobre él se realiza un

trabajo de 25 kJ agitándolo con una rueda de paletas, al mismo tiempo que se le

extraen 15 kcal de calor ¿Cuál es la variación de la energía interna del sistema?

14 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Energía interna de un gas ideal.

Energía interna de un gas ideal

Como vimos en el tema anterior la energía cinética total de las moléculas en un

gas ideal están relacionadas con la temperatura mediante la expresión

3

2cE nRT

Si se considera que esta energía de traslación constituye toda la energía interna del

gas, tendremos entonces que 3

2U nRT

15 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Trabajo y diagrama PV para un gas.

Procesos quasiestáticos

En muchos sistemas, el trabajo se obtiene permitiendo que un gas se expansione contra un

pistón móvil. En la figura se muestra un gas encerrado en un recipiente con un pistón que ajusta muy

bien y que supondremos carece de rozamientos.

Si empujamos rápidamente hacia

dentro el pistón para comprimir el gas, el

volumen del gas varía, y la presión cerca del

pistón será mayor inicialmente que en un

lugar más alejado. Hasta que el gas se

estabilice, no podemos definir las variables

de estado de equilibrio macroscópico, tales

como T, P o U.

Sin embargo, si movemos

lentamente el pistón en pequeñas etapas,

esperando después de cada etapa para que se

restablezca el equilibrio, podemos

comprimir y dilatar el gas de forma que se

aleje poco de su estado de equilibrio. Este

tipo de proceso se llama proceso

cuasiestático. En dicho proceso el gas se

mueve a través de una serie de estados de

equilibrio.

16 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Trabajo y diagrama PV para un gas.

Trabajo sobre un gas

Comencemos con un gas a presión

medianamente alta y dejémosle expansionar

cuasiestáticamente. La fuerza ejercida por el gas sobre

el pistón es PA, donde A es el área del pistón y P es la

presión del gas. Si el pistón se mueve una distancia

dx, el trabajo realizado por el gas sobre el pistón vale

dW F dx PAdx PdV

Para calcular el trabajo realizado por el gas en una expansión

desde el volumen V1 al volumen V2 necesitamos conocer cómo

varía la presión durante la expansión

Diagrama PV

Los estados de un gas pueden representarse en un diagrama de

P en función de V.

W PdV

3 3 3 21 L atm== 10 m · 101,3 · 10 N/m 101,3 J

17 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Trabajo y diagrama PV para un gas.

Ejemplo 7.- Si 3 L de un gas ideal a una presión de 2 atm se calienta de forma que se

expansiona hasta que su volumen sea 5 L a presión constante, ¿cuál es el trabajo

realizado por el gas? (Respuesta: 405,2J.)

18 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Trabajo y diagrama PV para un gas.

Trabajo y diagramas PV.

1 2 1( )aW P V V 2 2 1( )bW P V V 2

1

lnc

VW nRT

V

19 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Trabajo y diagrama PV para un gas.

Ejemplo 8.- Un gas ideal experimenta un proceso

cíclico A-B-C-D-A, como indica la figura. El gas

inicialmente tiene un volumen de 1 litro y una

presión de 2 atm y se expansiona a presión constante

hasta que su volumen es 2,5 L, después de lo cual se

enfría a volumen constante hasta que su presión es 1

atm. Entonces se comprime a presión constante hasta

que su volumen es de nuevo 1 L. finalmente se

calienta a volumen constante hasta volver a su estado

original. Determinar el trabajo total realizado por el

gas y el calor total añadido durante el ciclo.

20 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Capacidad calorífica de los gases.

Capacidad calorífica de los gases.

Capacidad calorífica a volumen constante.

v

dUC

dTGas ideal

3 12.471708 J/(mol·ºK)

2v vC nR c

Capacidad calorífica a presión constante.

p v

dVC C P

dTGas ideal

5

2

20.7861 J/(mol·ºK)

p v

p

C C nR nR

c

21 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Capacidad calorífica de los gases.

Gas

Monoatómico

He 20,79 12,52 1,51 8,27 0,99

Ne 20,79 12,68 1,52 8,11 0,98

Ar 20,79 12,45 1,50 8,34 1,00

Kr 20,79 12,45 1,50 8,34 1,00

Xe 20,79 12,52 1,51 8,27 0,99

Diatómico

N2 29,12 20,80 2,50 8,32 1,00

H2 28,82 20,44 2,46 8,38 1,01

O2 29,37 20,98 2,52 8,39 1,01

CO 29,04 20,74 2,49 8,30 1,00

Poliatómico

CO2 36,62 28,17 3,39 8,45 1,02

N2O 36,9 28,39 3,41 8,51 1,02

H2S 36,12 27,36 3,29 8,76 1,05

'pc '

vc ' /vc R' 'p vc c ' ' /p vc c R

Capacidades caloríficas molares en J/(mol·ºK) de varios gases a 25 ºC.

22 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Capacidad calorífica de los gases.

Aplicación del teorema de equipartición a gases diatómicos.

2 2 2 2 2' ' ' '

1 1 1 1 1

2 2 2 2 2c x y z x x y yE mv mv mv I I

55

2 2

nRTU nRT

5

2vc nR

23 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Capacidad calorífica de los sólidos.

'pc '

vcCapacidad calorífica de los sólidos.

Sustancia c, kJ/(kg·ºK) c, kcal/(kg·ºK)

o Btu/(lb·ºF) c’, J/(mol·ºK)

Aluminio 0,9 0,215 24,3

Bismuto 0,123 0,0294 25,7

Cobre 0,386 0,0923 24,5

Oro 0,126 0,0301 25,6

Plata 0,233 0,0558 24,9

Plomo 0,128 0,0305 26,4

Tungsteno 0,134 0,0321 24,8

Zinc 0,387 0,0925 25,2

' 3 24,9 J/(mol·ºK)c R

Ley de Dulong-Petit.

24 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Capacidad calorífica de los sólidos.

Explicación del por qué de la Ley de Dulong-Petit.

2 2 2

2 2 2

1 1 1

2 2 2

1 1 1

2 2 2

m x y z

ef ef ef

E mv mv mv

k x k y k z

Energía de cada molécula.

Según el teorema de equipartición cada

grado de libertad aporta una energía a la

molécula igual a KT/2.

6 32

m

kTE kT

Si consideramos que la energía interna sólo

depende de la energía mecánica del

sistema.

'

3 3

3

A m v

v

dUU nN E nRT C nR

dT

c R

25 25/02/2013

Calor y primer principio de la Termodinámica. Expansión adiabática quasiestática de un gas.

Expansión adiabática quasiestática de un gas.

Todo proceso en el que no existe flujo

de calor ni entrante ni saliente del sistema se

denomina proceso adiabático. En este apartado

consideraremos la expansión adiabática

cuasiestática de un gas, durante la cual el gas,

contenido en un recipiente térmicamente aislado, se

expansiona lentamente contra un pistón, realizando

trabajo sobre él. Como ni entra ni sale calor del gas,

el trabajo realizado por el mismo es igual a su

disminución de energía interna y la temperatura del

gas disminuye. En la figura se indica la curva que

representa este proceso en un diagrama PV.

Aplicando el primer principio de la

Termodinámica

1

0 1 0

v

dT nR dV dT dV

T C V T V

TV cte PV cte