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TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓNLa palabra termodinámica, proviene de la unión de las palabras griegas (termo) que significa

calor y (dinamiz) que significa fuerza. La disciplina Termodinámica en sí, es el estudio de sistemas que intercambian calor con el medio ambiente y ejercen fuerzas sobre él, pudiendo hacer que el límite de los mismos se desplace, por lo que decimos que se realiza un trabajo.

Esta disciplina nace de conocimientos empíricos y sobre estos conocimientos se elabora la teoría mediante los desarrollos de William THOMSON (que luego pasó a llamarse Lord KELVIN) y Rudolf CLAUSIUS realizados a mediados del siglo XIX.

Estos dos científicos, se basaron en el trabajo titulado “Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propes a développer cette puissance” (Reflexioneses sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia) del ingeniero militar Sadi CARNOT, publicado por CHEZ BACHELIER, París, 1824. Posteriormente Émile CLAPEYRON en 1832 la interpretó y rescribió en un lenguaje más académico.

Sadi CARNOT, estaba preocupado por obtener el máximo rendimiento en las máquinas de vapor. Ideó un ciclo térmico, que hoy lleva su nombre, en el cual se obtiene un rendimiento máximo cuando el calor fluye entre dos fuentes de temperatura diferentes. El resultado de este trabajo, es lo que se conoce hoy en día como segundo principio de la termodinámica.

THOMSON en 1848 cuando tenía tan solo 24 años de edad escribió los primeros fundamentos de lo que hoy llamamos Termodinámica clásica. En 1852 enunció el principio de la “tendencia universal de la naturaleza hacia la disipación de la energía mecánica”. Este principio se basó sobre dos hipótesis:

a) ningún fluido calórico puede tener naturaleza material, como muchos científicos de la época creían

b) el calor es un movimiento excitado de las partículas que constituyen los cuerpos.

Esto llevó a pensar, equivocadamente, durante mucho tiempo, que el calor es movimiento, concepto que creó un escollo muy grande para el desarrollo estadístico planteado por Ludwig BOLTZMANN y otros. Estos errores conceptuales, que persisten hasta nuestros días, llevan entre otras cosas a la confusión entre el concepto de calor y el de temperatura. A pesar de esto, BOLTZMANN logra enunciar en 1878 el “teorema H”, en el cual considera que la “materia enrarecida” posee propiedades tales, que solamente permite ciertos valores de energía cinética molecular, no pudiendo existir los valores intermedios, y que los valores permitidos son múltiplos de un mismo número por lo que decimos que la energía está cuantizada. Este teorema fue un intento de explicar la irreversibilidad de ciertos procesos termodinámicos que crearon posteriormente el concepto de “flecha del tiempo” o “tiempo termodinámico”.

El concepto de cuantización se lo sugirió BOLTZMANN a Max PLANCK cuando este último estudiaba la radiación de un cuerpo negro, lo que le permitió determinar la constante que hoy lleva su nombre, constante de Planck.

El gran investigador Henry POINCARÉ desarrolló en 1907, el modelo argumental que relaciona los conceptos termodinámicos y la noción de probabilidad, en la predicción de la evolución de los sistemas. Esto hoy sirve de columna vertebral para conceptos más modernos que están desarrollándose. Su trabajo puede leerse en la obra “THERMODINAMIQUE” del curso de física matemática de la Facultad de Ciencia de París, editado por GAUTIER-VILLARS en 1908.

El Dr. Ilya PRIGOGINE, interesado por los procesos irreversibles, trabajó con sistemas termodinámicos lejos del equilibrio, y basado en el concepto de “flecha del tiempo” logró obtener el premio Nobel en Química en el año 1977 por sus estudio de la evolución de los sistemas termodinámicos lejos del equilibrio, introduciendo los conceptos de atractor termodinámico y estructuras disipativas.

La termodinámica clásica dio origen a: la teoría cinético molecular de la materia, la mecánica estadística con el estudio de n-cuerpos vinculados, la mecánica cuántica con el concepto de cuantización de la energía, la Termodinámica del no equilibrio con el concepto de irreversibilidad y flecha del tiempo en los procesos fisicoquímicos, la hipótesis de evolución del universo con su posible muerte térmica (hoy cuestionada) mediante el concepto de entropía.

Podemos decir modernamente, que la termodinámica estudia todo sistema que puede intercambiar calor y realizar un trabajo sobre el medio ambiente que lo rodea, incluyendo sistemas vivientes.

1FÍSICA APLICADA. IES Vicent Andrés Estellés - Burjassot

Por tratarse en este sitio la Física a nivel preuniversitario, dejaremos fuera de tratamiento los sistemas vivientes y los sistemas de no equilibrio, por su alta complejidad.

(Fuente: http://www.fisica-facil.com)

Conceptos Básicos:Sistema termodinámico.

Propiedades, Variables funciones de estado.

Equilibrios. Transformaciones o procesos.

Aislantes y conductores térmicos.

Objeto de la TERMODINÁMICAConcepto de calor

Principio ceroDefinición de Temperatura.

Medida de la temperatura. Escalas. Termómetro de Gases

Temperatura Absoluta.

Diferencia entre calor y temperatura

Primer PrincipioCuestiones previas: Concepto de Energía interna

Trabajo. Trabajo de variación de VolumenCalor. Medida del calor: Unidades.Capacidad calorífica y calor específico.

Enunciado del primer Principio de la termodinámica

Mecanismos de transmisión de calor. Conducción, convección y radiación.

Aplicaciones: Calefacción y energía solar

Efecto invernadero.

Segundo principioEl sentido de las transformaciones espontáneas.

La conversión del calor en trabajo

Enunciado del 2º principio

El significado de la Entropía

Máquinas térmicasMotores de explosión

Máquinas frigoríficas

Bombas caloríficas


SISTEMAS Y MODELOS EN FÍSICA Y EN QUÍMICA

Antes de comenzar el estudio de la Física y de la Química es necesario entender las aproximaciones que se hacen tanto en una como en otra materia para dar sentido a las simplificaciones que es necesario realizar. Así en primer lugar es importante conocer qué se entiende por sistemas físicos o químicos. Un sistema es un cuerpo o conjunto de cuerpos que nosotros separamos del conjunto del Universo para estudiar lo que les sucede; lo que queda fuera de aquél se llama entorno o alrededores. Por ejemplo en física dos cuerpos en interacción como la Tierra y el ;301 y en química, una mezcla de sustancias o un gas encerrado en un recipiente.

Sin embargo, los sistemas son muy complejos y para estudiarlos, necesitamos realizar aproximaciones. La más importante es utilizar un modelo del sistema, que es una representación más simple y conocida de un sistema complicado o poco conocido.

Por ejemplo, en Física muchas veces consideramos objetos extensos como partículas, localizadas en un sólo punto de masa, m. A veces resulta conveniente considerar la Tierra como una partícula que se mueve alrededor del Sol en trayectoria casi circular. Esto ,se puede hacer si no se utilizan el tamaño de la Tierra, su movimiento de rotación o su estructura interna. En algunos problemas astronómicos se puede considerar una partícula el sistema solar o incluso una galaxia: En química hablamos de modelo de gas, de modelo de, átomo o de reacción, que corresponde a representaciones simplificadas que nos permiten hacer predicciones sobre su comportamiento.

Para determinar el estado de un sistema, es necesario conocer una serie de propiedades de éste denominadas magnitudes. Éstas corresponden a las propiedades que se pueden medir. Así, por ejemplo, para describir un sistema formado por pocos cuerpos de masa m necesitamos magnitudes como la posición y la velocidad. Para un gas, sistema de muchas partículas, no podemos medir la posición y la. velocidad de cada una de ellas y necesitamos magnitudes como la presión, el volumen y la temperatura.

M.L. Calatayud y otros. Física y Química de 1º de Bachillerato.Ed. Octaedro (p.11)


Conceptos Preliminares:

Sistema termodinámico:

Actividad 1.-Pon ejemplos de sistemas físicos.

Actividad 2.- ¿Cómo podemos limitar un sistema termodinámico? Cita todas las formas que se te ocurran en relación a ejemplos concretos.

Una vez concretado qué es y como podemos limitar un sistema termodinámico analicemos cómo puede estar relacionado un sistema con el exterior:

Actividad 3.- Piensa en los tres sistemas que se representan en el dibujo y analiza si qué intercambian con el exterior energía , materia o ninguna de las dos cosas

La Figura 1 Es una pecera que no se abre nunca ni para echar comida ya que está diseñada para que los seres vivos de su interior puedan subsistir por ellos mismos.

Figura 1

La Figura 2 representa ahora una pecera en la que damos de comer a los peces mediante comida preparada una

Figura 2

La Figura 3 representa el sistema formado por una bala que con velocidad v se mueve hacia un bloque que esta en reposo y que también forma parte del sistema.

Figura 3

Actividad 4.- Analicemos, a la luz de la actividad anterior, qué es un sistema abierto, un sistema cerrado y un sistema aislado.

Actividad 5.- Recuerda qué es un sistema homogéneo y qué es un sistema heterogéneo.

Actividad 6.- Puede un sistema formado por una sola sustancia constituir un sistema heterogéneo?. Pon un ejemplo.


A

B

Actividad 7.- ¿Puede una sustancia constituida por más de una sustancia constituir un sistema homogéneo?. Pon un ejemplo.

Actividad 8.- Define el concepto de fase.

Actividad 9.- En un vaso tenemos agua y hielo. ¿Cuántos componentes tiene el vaso desde el punto de vista e la composición química? Cuantas fases hay en el vaso?

ESTADO TERMODINÁMICO

Actividad 10.- ¿Qué es el estado de un sistema? ¿Cómo podemos definirlo?

Cada conjunto de valores de las propiedades de un sistema, define un estado termodinámico. Basta con que varíe una sola de sus propiedades para que afirmemos que varió su estado termodinámico.

La descripción del estado del sistema, puede realizarse mediante un enfoque microscópico o macroscópico.

Decimos que el enfoque es microscópico, cuando analizamos cada una de las partículas que lo integran. Esta descripción requiere que se conozca la posición y la velocidad de cada partícula y puede efectuarse si el sistema está formado por un número pequeño de ellas.

El enfoque es macroscópico, cuando se puede especificar al sistema como un todo. Esto requiere que las propiedades en todos sus puntos sean las mismas, para que tenga sentido el hablar de cierta propiedad, con valor único.

Es imposible medir simultáneamente todas las propiedades de un sistema termodinámico, pero se ha encontrado que unas propiedades dependen de las otras, por lo tanto puede definirse el estado de un sistema, por un número mínimo de propiedades que sean sencillas de determinar y estas son: el volumen (V); la presión (P); la temperatura (T) y la masa (m).

Estas propiedades, que por lo menos una de ellas cambia al cambiar el estado termodinámico, de ahora en adelante llamaremos variables termodinámicas.

Actividad 11.- Distinción entre variables extensivas y variables intensivas

Todas las variables que varían al dividir a un sistema en equilibrio termodinámico en partes más pequeñas, se denominan variables extensivas, como por ejemplo: el volumen; la masa; la carga eléctrica etc. Las demás variables son llamadas intensivas como la presión; la temperatura etc.

Actividad 12.- Cita algunas propiedades que puedan ser consideradas como variables termodinámicas.

Es conveniente definir el estado termodinámico por un conjunto mínimo de variables intensivas. Es por esta razón que en lugar de referirnos al volumen (V), nos referiremos al volumen molar específico que es el cociente entre el volumen y el número de moles de moléculas contenidas en el volumen, y representamos con la letra uve en minúscula (v). Por lo antes mencionado escribimos:

v= V/n = V/m/M = M . 1/d

donde n es el número de moles de moléculas, que a su vez, es el cociente entre la masa m de la sustancia y la masa molar molecular M. Siendo el cociente entre el volumen y la masa del cuerpo, el inverso de la densidad d.


FUNCIÓN DE ESTADO TERMODINÁMICOActividad 13.- Distingue entre variables termodinámicas y variables de estado.

Podemos admitir que el estado termodinámico de cualquier sistema en equilibrio, está definido por una función de estas tres variables, puede definirse el estado de un sistema, por un número mínimo de propiedades que sean sencillas de determinar y estas son: el volumen (V); la presión (P); la temperatura (T) y la masa (m). de manera que:

f (P, V, T) = 0

Se ha encontrado que en los sólidos, el estado termodinámico depende de su historia anterior. En una primera aproximación, podemos muchas veces suponer, que su estado queda definido por las tres variables antes mencionadas.

Determinar la función matemática que relaciona a las variables termodinámicas para cualquier sistema, es una tarea bastante compleja, razón por la cual, cada vez que necesitemos conocer esta función, nos limitaremos a trabajar con un sistema formado por gas ideal cuya función de estado es:

PV = nRTdonde R es la constante universal de los gases cuyo valor es 0,082 atm . l /mol . kelvin (en el S.I. vale 8,3149 J/mol-K) y T es la temperatura termodinámica.

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

Actividad 14.- Diferencia entre estado de equilibrio y transformación. Como ejemplo piensa en un recipiente cerrado que contiene agua y en el mismo recipiente abierto.

Actividad 15.- Un recipiente con agua a 20ºC, se calienta en un hornillo de gas hasta 80ºC y posteriormente se deja que vuelva a los 20º iniciales. El recipiente mantiene siempre el mismo volumen y está cerrado de manera que el agua no puede escaparse por evaporación. Caracteriza en este enunciado los estados y las transformaciones que ha sufrido el agua.

Decimos que un sistema, desde el punto de vista macroscópico, está en equilibrio termodinámico, cuando en todos sus puntos tiene las mismas propiedades.

Como ya hemos mencionado, las propiedades de un sistema son, a modo de ejemplo, la presión; el volumen; su densidad; su resistividad eléctrica; su constante dieléctrica; su temperatura; etc.

Esto quiere decir, que un sistema termodinámico está en equilibrio, cuando podemos hablar o referirnos a cualquier propiedad termodinámica, como por ejemplo a la presión o la temperatura, con un único valor para todo el sistema.

Actividad 16 .- Establecer un criterio que permita una distinción entre proceso reversible e irreversible. El proceso global explicado en la Actividad 15 es un proceso reversible?

Analicemos los distintos tipos de interacción que pueden tener dos sistemas: Interacción térmica, Interacción mecánica e interacción másica

Objeto de la TERMODINÁMICA


A A BA BB

El estudio del calor y su transformación en energía mecánica se llama termodinámica (derivada de palabras griegas que significan "movimiento del calor"). La ciencia de la termodinámica, como ya ha quedado expuesto en la introducción, se desarrolló a principios del siglo XIX, antes de que se comprendiera la teoría atómica y molecular de la materia. Como los primeros que se dedicaron a la termodinámica sólo tenían vagas nociones de los átomos, y no sabían nada acerca de los electrones y otras partículas microscópicas, los modelos que emplearon recurrían a nociones macroscópicas como trabajo mecánico, presión y temperatura, así como sus papeles en las transformaciones de energía. La base de la termodinámica es la conservación de la energía, y el hecho de que el calor fluye en forma espontánea de lo caliente a lo frío, y no a la inversa. La termodinámica proporciona la teoría básica de las máquinas térmicas, desde las turbinas de vapor hasta los reactores nucleares, así como la teoría básica de los refrigeradores y las bombas de calor.

“Física Conceptual” Paul G. Hewit.

Principio cero de la TERMODINÁMICAHasta ahora no hemos dicho que es el calor ni como cuantificarlo. Tampoco como cuantificar

la temperatura de un cuerpo. Se han intentado muchas definiciones a lo largo de la historia, pero creemos que lo mejor es partir de un hecho experimental que consiste en colocar en contacto dos cuerpos que estén a diferente temperatura, como ser una cucharita que estaba en un vaso con hielo y un tenedor que estaba en el horno encendido de la cocina.

¿Qué va a suceder? Todos lo sabemos. El tenedor se va a enfriar y la cucharita se calentará.Actividad 17.- A partir del análisis anterior define el concepto de CALOR

Actividad 18.- ¿Los sistemas “tienen” calor o intercambian calor? ¿Con qué otra magnitud es homogénea el calor? ¿En qué unidades internacionales debemos medir el calor?

Actividad 19.- Busca o propón otras unidades de calor que se usen en la práctica.

Algo le transfiere un cuerpo al otro y se aceptó llamarle calor a eso que se transfiere del cuerpo más caliente al menos caliente (en algunas ramas tecnológicas, les resulta más conveniente definir el frío, como lo que se transfiere del cuerpo menos caliente al más caliente).

Debido a que el tenedor y la cucharita están en contacto con el aire, también se le trasferirá calor con él hasta que se llega a un denominado equilibrio térmico y decimos que tienen la misma temperatura.

Un sistema está en equilibrio térmico cuando sus propiedades macroscópicas no varían. Todo sistema evoluciona hasta alcanzar el equilibrio termodinámico del que no puede salir de forma espontánea.

La ley cero de la termodinámica establece la transitividad del equilibrio térmico siendo su enunciado: ”si un sistema A, está en equilibrio térmico con uno B y este B lo está con otro C, entonces A y C están en equilibrio térmico”.

Esta ley, es la base para establecer un método para cuantificar la temperatura.

Definición de Temperatura. Actividad 20.- Define la temperatura a partir del principio cero de la termodinámica.

Actividad 21.- ¿Cómo podemos determinar si dos cuerpos están en equilibrio térmico entre sí sin ponerlos en contacto?

Actividad 22.- Propón algunas propiedades que puedan servir de propiedades termométricas. Analiza algunas características que deba tener una propiedad termométricaRecordemos las escalas termométricas prácticas usadas comúnmente. En este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes y aparecen los valores que se asignan a los puntos fijos que se toman para construirlas.


A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas de temperaturas. En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero está a -273,15 K del punto triple y se define como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e inalcanzable en la práctica.

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K.

Conversión de valores de temperaturasActividad 23.- ¿A cuantos grados centígrados corresponde 1º F? ¿Cuál es mayor incremento de temperatura? 1º F o 1ºC

Actividad 24.- Un día me levanté y encontré que mi habitación estaba a 20ºF. Eso no es nada dijo mi amigo, mi habitación estaba una vez a –5ºC. ¿Qué habitación estaba más fría?

Actividad 25.- El punto de fusión del oro es de 1945,4ºF. Dar esta temperatura en ºC.

Actividad 26.- La temperatura interna del Sol son 107 grados. ¿Estos grados son Kelvin o grados Celsius, o realmente no importa una escala u otra? ¿Porqué?.

Actividad 27.- El sodio funde a 371K. ¿A que temperatura Celsius y Fahrenheit lo hace?

Cuando un cuerpo absorbe calor aumenta de temperatura y cuando cede calor disminuye su temperatura. De acuerdo con esto

Actividad 28.- Distingue claramente entre calor y temperatura.


Actividad 29.- ¿Tiene sentido decir que un cuerpo tiene calor? ¿Podríamos “extraer” calor sin límites de un cuerpo? Piensa en algún ejemplo.

Capacidad calorífica y calor específicoActividad 30.- Supongamos que tenemos un sistema formado por una taza de café con leche a 40ºC en la cual hay dos cucharas inicialmente a la misma temperatura ambiente, durante un tiempo de 1 minuto. Una de las cucharas es de madera, y la otra es de acero inoxidable. Al cabo del tiempo mencionado ¿Cual deberíamos utilizar para probar el contenido de la taza sin quemarnos? ¿Por qué? Suponemos que ambas cucharas tienen la misma masa. Construye una hipótesis que explique el fenómeno. Suponemos en todo momento que el conjunto de la taza y las cucharas no intercambian calor con el exterior

Actividad 31.- Supongamos ahora un sistema formado por la taza anterior y con dos cucharas pero ahora del mismo material y distinta masa. Las cucharas las introducimos alternativamente y permitimos que el conjunto taza-cuchara en cada caso llegue al equilibrio térmico. ¿Con cual de ellas, suponiendo que inicialmente ambas cucharas estaban a la misma temperatura ambiente, la temperatura final de la taza y su contenido será menor? ¿Por qué?

Actividad 32 .-Definamos, cualitativamente, el calor específico y capacidad calorífica o térmica de una sustancia.

Las anteriores transformaciones han tenido lugar por el intercambio de energía en forma de calor entre el sistema taza- cuchara. Esos sistemas tienen una interacción térmica. Por el contrario, cuando una transformación en un sistema se realiza sin que dicho sistema interaccione térmicamente con el exterior, esto es sin que intercambie calor con el exterior, dicha transformación se denomina ADIABÁTICA.

Actividad 33.- Piensa en algún utensilio de la vida diaria que tenga paredes adiabáticas.

Calor y temperatura. Relaciones El problema que nos plantearemos a continuación será la medida del valor del calor absorbido o cedido por un cuerpo o sistema.

Actividad 34: Plantea a título de hipótesis de qué magnitudes depende el calor absorbido, o cedido, por un cuerpo que se encuentra a una cierta temperatura inicial, t0


Actividad 35: Describe los diseños experimentales que permitan contrastar las hipótesis planteadasPara dos masas iguales de una misma sustancia, sometidas a un aporte de calor Q y 2Q respectivamente (es decir, una de ellas se calienta un tiempo t (min) y otra doble tiempo, 2t (min), ¿qué pasa con el incremento de T?

Si suministramos una cantidad de calor Q, esto es calentamos durante un mismo tiempo a dos masas de la misma sustancia, una doble de la otra, m y m/2,¿qué pasa con el incremento de T?

Para dos masas iguales una de aceite y otra de agua sometidas al mismo aporte de calor, Q, es decir, calentando el mismo tiempo (con el mismo foco calorífico)¿qué pasa con el incremento de T?


Los resultados experimentales muestran que la cantidad de calor, Q, es proporcional a la masa de sustancia.a la diferencia de temperatura producida, y Depende del tipo de sustancia, de su naturalezaDe ello se puede escribir la siguiente expresión:

Q= m cuerpo· Ce (cuerpo).( TF- TI)

donde Ce es el calor específico que mide la cantidad de calor necesaria para que una unidad de masa de sustancia eleve su temperatura un grado

Actividad 34.- Determina el calor absorbido por 500l de agua cuando su temperatura aumenta de 18ºC a 90ºC (densidad del agua 1000 kg/m3; ce agua =4180J/kg.K)Repite los cálculos anteriores con los siguientes datos: densidad del agua 1 g/cm3 y Ce agua = 1 caloria/g.ºC)Actividad 35.-Para lograr que una pieza de 300Kg de cierto metal aumente su temperatura desde 40ºC a 60 ºC ha sido necesario suministrarle 2299 J. Calcula el calor específico del metal.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Actividad 38 .- Su pongamos que tenemos dos cuerpos de masas m y m’ a distintas temperaturas T1 y T’1 cuyos calores específicos son c1 y c’1.

a)¿Qué sucederá si los ponemos en contacto entre sí y el conjunto está separado mediante paredes adiabáticas del exterior?. Explica en que principio fundamentas tu hipótesis.b)Si T1>T’1 Cómo evolucionará el sistema m? ¿Cómo evolucionará el sistema m’?c) Escribe las ecuaciones que nos dan el calor intercambiado por el sistema 1 y el sistema 2 en la transformaciónd)¿Podríamos calcular la temperatura final de ambos cuerpos? ¿Cómo? ¿Qué hipótesis has utilizado para realizar este cálculo?¿Debemos usar siempre la Temperatura absoluta en estos problemas o podemos utilizar la temperatura Celsius

Actividad 39.-Mezclamos dos cantidades de agua diferentes a distintas temperaturas. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

a) Pasará calor desde el aga que tiene más energía interna a la que tiene menos.b) Pasará calor desde el agua que tiene más temperatura a la que tiene menos temperaturac) Pasará calor desde el agua que tiene más masa a la que tiene menos masa.

Actividad 40.Colocamos en un recipiente, de paredes muy aislantes, 0,250 Kg de agua a 15ºC y 0,080 Kg de un metal a 100ºC Calcula la temperatura de equilibrio térmico si el calor específico del metal es 878 J·Kg-1 ·K-1

El recipiente donde se realizan las experiencias en las que se producen variaciones de calor se llama calorímetro.Se trata de un recipiente que contiene el líquido en el que se va a estudiar la variación del calor y cuyas paredes y tapa deben aislarlo al máximo del exterior.


Un termo de paredes dobles con vacío entre ellas es en principio un calorímetro aceptable para el rigor de nuestras experiencias. El termo se llama vaso Dewar y lleva el nombre del físico y químico escocés James Dewar pionero en el estudio bajas temperaturas.Tiene una tapa aislante y perforada para introducir un termómetro y un agitador.

Actividad 41.- ¿Cómo podríamos, utilizando un calorímetro calcular el calor específico de una sustancia? Describe el proceso

Un buen calorímetro debe en teoría intercambiar la menor cantidad posible de calor con el contenido, sin embargo ese es un caso ideal. En realidad, lo que sucede es que hay que tener en cuenta la interacción del calorímetro con el proceso. Para ello se define el concepto de:

Equivalente en agua de un calorímetroCuando un líquido contenido en un calorímetro recibe calor (energía) la absorbe, pero también la absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. Esta intervención del calorímetro en el proceso se representa por su equivalente en agua: su presencia equivale a añadir al líquido que contiene los gramos de agua que asignamos a la influencia del calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". El "equivalente en agua" viene a ser "la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro".

Para calcular el equivalente en agua de un calorímetro dado procedemos de la siguiente manera:

Medidos con la probeta 100 c.c de agua (100 g), la vertemos en un vaso de precipitados y calentamos hasta su temperatura de ebullición. Dejamos hervir el agua y anotamos la temperatura de ebullición. En nuestra experiencia resultó que ese día era de 99 ºC.Echamos 100 g de agua en el calorímetro y esperamos a que se alcance el equilibrio con el calorímetro. Anotamos la temperatura de equilibrio: 18 ºC.Añadimos el agua caliente al calorímetro y anotamos la temperatura que se alcanza y se mantiene unos instantes antes de que empiece a descender. Obtuvimos 52 ºC.Para los cálculos procedemos:

Qperdido + Q ganado = 0 luego ─ Qperdido = Q ganado

Donde: Q ganado = calor ganado por el agua fía + calor ganado por una masa de agua, E, que absorbiera el mismo calor que absorbe el calorímetro (E “equivalente” en agua del calorímetro)

Calor en los cambios de estadoActividad 42.- Analiza la gráfica adjunta. Intenta dar un significado físico a los tramos horizontales que aparecen. ¿puedes describir una transformación que sea compatible con esta gráfica?


TºC

-20ºC

80ºC

Tiempo (t) en min

http://buscabiografias.com/cgi-bin/verbio.cgi?id=4774

Actividad 43.- Define el concepto de Calor Latente de cambio de estado

Actividad 364.- Una botella de agua ha permanecido todo el día sobre la mesa a 33ºC. Queremos tomar 240gr de agua fría a lo ºC para lo que utilizamos cubitos de hielo cada uno de 0,025 Kg que sacamos de una nevera a –10ºC colocándolo todo en un vaso-termo que no intercambia calor con el exterior.a) Representa cualitativamente la gráfica t-Tº que expresa cómo variará con el tiempo la temperatura de cada uno de los subsistemas que forman la mezcla. (suponemos que la tempera aumenta uniformemente cuando lo hace)b) ¿Cuántos cubitos deberíamos utilizar para conseguir nuestro propósito?c) ¿Qué temperatura obtendríamos si le añadimos 8 cubitos?

Actividad 45.-Expresa una hipótesis que pueda explicar desde el punto de vista microscópico, que la temperatura permanezca constante en los cambios de estado. ¿En qué es previsible que se emplee el calor absorbido por ejemplo en un proceso de fusión?

TRANSMISIÓN DEL CALORActividad 46.- Analiza los siguientes fenómenos:

a) Una barra está en contacto por uno de sus extremos A con un foco térmico, tal como indica el dibujo, por lo que la temperatura de toda ella va aumentando progresivamente

b) La variación de temperatura que se produce en una habitación en la que está encendida una estufac)El calor que llega a la Tierra proveniente del sol.En los tres casos se produce una transmisión de energía térmica entre distintos puntos. Propón hipótesis que nos expliquen como se ha realizado dicha transmisión.

Actividad 47.- ¿Qué significa la palabra ISOTERMA? ¿Qué es una linea isoterma y qué una superficie isoterma?

Actividad 48.- Una barra de cobre de 2 m de longitud posee una sección transversal, circular, de 1 cm de radio. Uno de sus extremos se mantiene a 100ºC y el otro a 0ºC, y su superficie se aisla de manera que las pérdidas de calor a lo largo de la misma sean despreciables.a) Construye una hipótesis que analice de que factores dependerá la cantidad de calor que circula por la barra a lo largo de un tiempo tb) Calcular el gradiente de temperatura.c) Calcular la resistencia térmica de la barrad) Si la barra es homogénea ¿Cómo es previsible que sean las superficies isotérmicase) Calcular la temperatura a 25 cm del foco de calor.

Actividad 49.- A partir de los valores del coeficiente de conductividad térmica de la tabla adjunta, razonar qué materiales serán buenos conductores del calor y cuales no lo serán, esto es funcionarán como aislantes. Relacionar esto con situaciones y aplicaciones en la vida real.


KW/m K Material

429 Cobre

353. Plomo

318 Oro

0,7-0,9 Vidrio

0,609 Agua a 27º

0,592 Hielo

0,026 Aire a 27º

A B

Actividad 50.- ¿En qué unidades mediremos la corriente térmica?

Actividad 51. -Analiza de acuerdo con los valores de la tabla adjunta y de los tipos de transmisión de calor que estamos estudiando cómo deberíamos construir un sistema de doble ventana a fin de que fuera lo más aislante posible.

Actividad 52. -Calcular la pérdida de energía por radiación de una persona desnuda en una habitación a 20º C, suponiendo que la persona se comporta como un cuerpo negro de 1,4 m2 de área y la temperatura de su superficie sea de 33ºC aproximadamente. (La temperatura de la superficie corporal es algo inferior a la temperatura interior del cuerpo, debido a la resistencia térmica de la piel).

Actividad 53. - Si la temperatura absoluta de un cuerpo se triplica, la energía irradiada por unidad de tiempoa) Se triplicab) se multiplica por 9c) Se multiplica por27d) Se multiplica por 81e) Depende que la temperatura absoluta esté por encima o por debajo de cero

Primer Principio de la Termodinámica

Cuestiones previas: Concepto de Energía interna.

Actividad 54.-Reflexiona acerca de las magnitudes que informan sobre la energía interna de un sistema material. Recuerda lo estudiado en cursos anteriores.¿Mediante qué procedimientos se puede modificar la energía interna?

Actividad 55.-Propón una expresión que relacione el calor suministrado a un sistema gaseoso, el trabajo de expansión realizado y la variación de energía interna del sistema.

Es costumbre escribir W para el trabajo realizado por el sistema, por lo que será –W el trabajo realizado sobre el sistema. Con ello, el cambio de energía interna U será producido por el calor


Q<0

S I S T E M A T E R M O D I N Á M I C OE n e r g í a i n t e r n a

d e l s i s t e m a . U

Q >0

W>0

W<0

aportado al sistema (Q) y el trabajo realizado sobre el sistema (-W), lo cual se representa en la ecuación: ΔU = Q − W

Actividad 56.- Propón y analiza distintas formas de realizar trabajo sobre un sistema que tengan como consecuencia el aumento de temperatura del mismo.

Actividad 57 .- En las cataratas del Niágara el agua cae desde una altura de 50 m

a)Si toda la variación de energía potencial se invierte en aumentar la temperatura ¿Cuál será el aumento de temperatura?b) Repetir el cálculo con lo que sucederá en las cataratas de Yosemite sabiendo que en éstas el agua cae desde 740m.De hecho, sin embargo, estos aumentos de temperatura no se observan. ¿Cuál puede ser la causa?

Actividad 58.- Explicación por parte de la profesora del experimento de Joule.

Actividad 59.- Si las paredes del recipiente que contiene el agua no fueran aislantes ¿Se necesitaría la misma cantidad de trabajo para aumentar un grado la temperatura?

Actividad 60.- Analiza desde el punto de vista de la energía interna del sistema qué significa que la temperatura del mismo aumente o disminuya la temperatura del mismo.

Actividad 61.- Analiza los procesos siguientes:Proceso A: Un émbolo térmicamente aislado contiene 1 mol de gas y sufre una compresión de manera que su temperatura pasa de 300 a 320 KProceso B: El contenido del émbolo anterior lo pasamos ahora a un recipiente no adiabático de manera que calentamos a volumen constante y hacemos pasar el gas de 300K a 320K.

a) Analiza si la variación de energía interna del gas será la misma en uno u otro proceso.b) Calcula el calor intercambiado por el sistema con el medio externo en uno u otro proceso.c) Calcula el trabajo realizado sobre el sistema en uno y otro proceso

Actividad 62.- A partir del análisis anterior, propón una posible relación entre trabajo, calor y energía interna para un sistema que sufre una transformación

Actividad 63.- Enuncia el primer principio de la termodinámica. ¿De que otro principio más general forma parte?

Actividad 64.- Si el volumen de un recipiente permanece constante mientras experimenta variaciones de temperatura y presión

a) La energía interna del sistema no varíab) No se suministra calor al sistemac) El sistema no realiza trabajod) El sistema no absorbe calore) La variación de energía interna del sistema es igual al calor absorbido por el sistema.

Actividad 65.- Cuando un gas ideal se somete a un proceso isotermo:a) No se realiza trabajo por el sistemab) No se suministra calor al sistemac)El calor suministrado al sistema es igual a la variación de energía internad) El calor suministrado al sistema es igual al trabajo realizado por éste

Actividad 66.-El diagrama PV de la figura representa procesos realizados por 3 moles de un gas ideal monoatómico. El gas está inicialmente en el punto A. Las trayectorias AB y BC representan


A B

C

D

E1,0

4,0

P (atm)

4,01 20,0V (l)

procesos isotérmicos. Si el sistema evoluciona hasta el punto C a lo largo de la trayectoria AEC, determinara) Las temperaturas inicial y finalb) El trabajo realizado por el gasc) El calor absorbido por el gas

Repetir el problema suponiendo que los procesos según los que evoluciona el gas corresponden a los trayectos ABC y ADC.


Actividad 67- ¿En cuanto se incrementa la energía interna de 5 gr de hielo a 0º C cuando se transforma en agua a 0º C? Despréciese el pequeño cambio de volumen

Actividad 68.- El diagrama p-V que se muestra en la figura 20-1 se aplica a un gas que experimenta un cambio cíclico en un sistema pistón- cilindro. ¿ Cual es el trabajo efectuado por el gas en

a) El tramo ABb) El tramo BCc) El tramo CDd) El tramo DA

Segundo Principio de la Termodinámica

Actividad 69.- Analiza los siguientes fenómenos a la luz del primer principio:a)Un caballo arrastra un bloque sobre un plano rugoso. El trabajo realizado por la fuerza de rozamiento se ha transformado en calor y por lo tanto el bloque y el plano aumentan su temperatura y por tanto su energía interna.b)Un bloque se encuentra a 40ºC sobre una superficie rugosa. Espontáneamente comienza a bajar la temperatura del bloque y del suelo de forma que se desprende calor que se transforma en trabajo mecánico y por tanto el bloque se pone espontáneamente en movimiento.

¿Existe algún impedimento, desde el primer principio de la Termodinámica para que se produzcan ambos procesos?¿Se producen ambos procesos?


A B

CD2·105

4· 105

P Pa

1,5 4

V (l)

Máquinas TérmicasActividad 70.- Representa esquemáticamente el balance calor trabajo en una máquina térmica.

Actividad 71.- Observa el ciclo representado en el dibujo anterior que es la representación esquemática de un ciclo de Otto que corresponde al que tiene lugar en los motores de los coches.

Relaciona ambos esquemas.

Actividad 72.- Enunciado de Kelvin del segundo principio de la Termodinámica.

Actividad 73.- ¿Tiene importancia en el enunciado del segundo principio que la evolución que sigue el gas sea cíclica?

¿Conoces alguna evolución tal que el calor se convierta íntegramente en trabajo? ¿En qué condiciones?


Actividad 74.- Calcular el rendimiento de una máquina térmica que absorve 200J de calor de un foco caliente, realiza un trabajo y cede 160J de calor al foco frío.

Actividad 75.- Analiza el funcionamiento de una nevera y representa esquemáticamente el balance calor trabajo en la misma.

Actividad 76.- Enunciado del segundo principio según Clausius.

Actividad 77.-¿Puede ser 1 el rendimiento de una nevera?.

Actividad 78.- Analiza el esquena siguiente y justifica porqué si se vulnera el 2º principio desde la

definición de Kelvin , también se vulnera según el enunciado de Clausius.

Actividad 79.- Un refrigerador absorbe 5Kj de energía a un foco frío y cede 8 Kj a un foco caliente calcula

a) La eficiencia del refrigerador.b) Si puede funcionar de forma reversible ( como bomba de calor) entre los mismos focos

calcula el rendimiento.

Actividad 80.- ¿Cómo afecta al rendimiento de una máquina térmica la existencia de rozamiento?

Entropía

Actividad 81.- A partir de la definición de entropía como definir cual será la unidad de Entropía en el sistema internacional.

Actividad 82.- Analizar cómo varía la entropía del universo en un proceso reversible y en un proceso irreversible.

Actividad 83.- ¿Puede aumentar la entropía de un sistema que experimenta un proceso reversible?.En caso afirmativo ¿qué debe pasar con la entropía del entorno.

Actividad 84.- Calcular cuanto variará la entropía en un proceso en el cual 10 gr de agua a 100º y 2 atm de presión pasan reversiblemente a vapor a 100º y 2 atm de presión.

Actividad 85.- Calcular cuanto variará la entropía en un proceso reversible no isotermo a presión constante.

Actividad 86.- ¿Cómo calcularías la variación de entropía en un proceso irreversible? ¿La variación de entropía del sistema en el proceso irreversible será la misma que la variación de entropía en un proceso paralelo (de las mismas características) reversible. ¿Porqué?

Actividad 87.-Mediante una barra metálica se conectan dos fuentes térmicas de temperaturas 127 y 27º respectivamente. Se transmiten de la una a la otra 1200 cal. ¿Cuál es la variación de entropía de las fuentes en conjunto?


Foco CalienteQ1

W

Q2

Q1+Q2

Foco frío

mis intereses y opiniones - termodinÁmica · web viewcalor y temperatura. relaciones el problema...

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