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Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
1/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
Fátima Masot Conde
Ing. Industrial 2007/08
Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
2/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
1. Introducción.
2. Temperatura y Ley Cero.
3. Termómetros y escalas.
4. Termómetro de gas a volumen constante.
5. Escala Kelvin.
6. Dilatación térmica de sólidos y líquidos.
Índice:
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
3/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Introducción
¿Qué es la temperatura?
Tenemos la sensación intuitiva
(a veces engañosa) de que algo
está “frío” o “caliente”
Tenemos la sensación intuitiva
(a veces engañosa) de que algo
está “frío” o “caliente”
Ejemplo: Nos parece que la alfombra
está más caliente que el suelo. ¿Por qué?
Ejemplo: Nos parece que la alfombra
está más caliente que el suelo. ¿Por qué?
Necesitamos algo más objetivoNecesitamos algo más objetivo
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4/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Temperatura y Ley Cero
Este ingrediente "objetivo" lo sacamos de una
observación común:
Este ingrediente "objetivo" lo sacamos de una
observación común:
Dos objetos a distintas temperaturas puestos en
contacto alcanzan una temperatura intermedia común.
Dos objetos a distintas temperaturas puestos en
contacto alcanzan una temperatura intermedia común.
•Los objetos en contacto térmico intercambian
energía (uno la pierde, otro la gana)
•Y se alcanza el equilibrio térmico (llegan a la
misma temperatura)
•Los objetos en contacto térmico intercambian
energía (uno la pierde, otro la gana)
•Y se alcanza el equilibrio térmico (llegan a la
misma temperatura)
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5/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Hemos hablado de temperatura, y aún no la hemos
definido (concepto escurridizo, al que llegamos por
comparación).
Hemos hablado de temperatura, y aún no la hemos
definido (concepto escurridizo, al que llegamos por
comparación).
Establecemos la temperatura de un
objeto y a todos los que están en
equilibrio térmico con él. Decimos que
tienen la misma temperatura.
Establecemos la temperatura de un
objeto y a todos los que están en
equilibrio térmico con él. Decimos que
tienen la misma temperatura.
La asignamos
arbitrariamente
A ese objeto que nos ayuda a establecer/medir la
temperatura de lo demás se le llama termómetro.
A ese objeto que nos ayuda a establecer/medir la
temperatura de lo demás se le llama termómetro.
Temperatura y Ley Cero
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6/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Equilibrio
térmico
Equilibrio
térmico
Ley CeroLey Cero
Situación a la que llegan los objetos en contacto
térmico en la que dejan de intercambiar energía.
Situación a la que llegan los objetos en contacto
térmico en la que dejan de intercambiar energía.
Si dos objetos, A y
B, por separado,
están en equilibrio
térmico con C,
entonces A y B
están en equilibrio
térmico entre sí.
Si dos objetos, A y
B, por separado,
están en equilibrio
térmico con C,
entonces A y B
están en equilibrio
térmico entre sí.
A
C
B
Temperatura y Ley Cero
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7/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Temperatura y Ley Cero
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8/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Podemos definir la temperatura como la
propiedad que comparten todos los objetos
en equilibrio térmico
Podemos definir la temperatura como la
propiedad que comparten todos los objetos
en equilibrio térmico
y redefinir el equilibrio térmico
como el estado de igual
temperatura.
y redefinir el equilibrio térmico
como el estado de igual
temperatura.
El termómetro es ese objeto que nos sirve
de patrón comparador.
El termómetro es ese objeto que nos sirve
de patrón comparador.
Temperatura y Ley Cero
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9/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
La temperatura no es un
color que se pueda
observar, o un volumen
que se pueda medir, ¿Cómo establecemos ese
patrón comparador?
¿Cómo establecemos ese
patrón comparador?
Se utilizan propiedades físicas que cambian
de forma conocida con la temperatura
(propiedad termométrica)
El ejemplo más corriente es el termómetro
de mercurio. La propiedad que se utiliza
es la dilatación del mercurio. El mercurio
encerrado en una columna de sección
conocida se dilata y su longitud se utiliza
para medir la temperatura.
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10/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
Otros ejemplos
Termómetro de gas a
volumen constante
Termómetro de
placa bimetálica
Termómetro de
mercurio
Termopila, termómetro de resistencia
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11/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Para su calibración:Para su calibración:
1) Se establece la escala termométrica: se
eligen dos puntos o entornos de
temperatura constante (p.e. fusión hielo,
vaporización de agua), y se les asignan
arbitrariamente las temperaturas superior e
inferior de la escala.
Termómetros y escalas
2) Se pone en contacto térmico el termómetro
con ambos entornos. La propiedad
utilizada (en este caso, la longitud de la
columna) variará, marcando los dos
extremos físicos de la escala.
2) Se pone en contacto térmico el termómetro
con ambos entornos. La propiedad
utilizada (en este caso, la longitud de la
columna) variará, marcando los dos
extremos físicos de la escala.
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12/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
Por ejemplo: la escala Celsius asigna:
T = 0 oC
T = 100 oC
al punto de hielo o
congelación normal del agua.
al punto de vapor o de ebullición
normal del agua.
Asignación arbitraria de
valores de temperaturaEntornos de temperatura constante.
Con esa elección, está claro que el grado centígrado es la
centésima parte de la escala (propiedad lineal).
Con esa elección, está claro que el grado centígrado es la
centésima parte de la escala (propiedad lineal).
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13/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
3) se traza una "curva de
calibración", para obtener
(por interpolación o
extrapolación) la
temperatura de los estados
intermedios.
tC
( oC)0 100
L
0
100 0
100otC
L Lt
L L
−= ×
−
L0
L100
tC
Lt
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14/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
La escala Fahrenheit:
tF = 32 oF
tF = 212 oF
punto de hielo o de congelación
del agua.
punto de vapor o de ebullición
del agua.
Asignación arbitraria de
valores de temperaturaEntornos de temperatura constante
iguales que en Celsius.
Relación entre ambas:
Termómetros y escalas
tF =9
5tC + 32
oF
∆tF =9
5∆tC
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15/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Las escalas obtenidas con los termómetros
de líquidos (Hg), dependen del líquido.
Las escalas obtenidas con los termómetros
de líquidos (Hg), dependen del líquido.
No definen la temperatura
de forma absoluta
No definen la temperatura
de forma absoluta
Los termómetros de gas, en cambio, proporcionan
una lectura prácticamente independiente del gas.
Los termómetros de gas, en cambio, proporcionan
una lectura prácticamente independiente del gas.
Por ejemplo, el termómetro de gas
a volumen constante (figs. a, b)
Por ejemplo, el termómetro de gas
a volumen constante (figs. a, b)
Contenedor
de gas a
volumen
constante
a)
b)
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16/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Funcionamiento:
• El volumen del gas siempre es el mismo
• La propiedad termométrica utilizada:
Aquí, la presión se lee
directamente
En esta versión, cuando el
contenedor de gas se
introduce en un entorno
caliente, el gas se expande
empujando al mercurio por
encima del nivel de cero.
Para que su volumen
permanezca constante a la
hora de hacer la medida, se
manipula el tubo de
mercurio manualmente para
reajustar el nivel. La presión
del gas viene dada por la
altura de la columna de
mercurio, según la relación:
Nivel de cero
Mercurio
0P P ghρ= +
presión del gas
gas
Contenedor
de gas a
volumen
constante
h
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17/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Fig 16.4
Serway
0 100
0
100 0
100otC
P Pt
P P
−= ×
−tC
( oC)
P0
P100
Pt
tC
• La medida de la temperatura
viene dada en función de la
presión.
Igual que el de mercurio: Se eligen dos entornos de
temperaturas constantes (ebullición y congelación de agua)
se le asignan dos temperaturas (0 y 100 en la escala
Celsius), y se miden las presiones correspondientes.
Calibrado:
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18/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Resultado asombroso:
Fig 16.5
Serway
En todos los casos, independientemente del gas utilizado, cuando la
presión se extrapola a cero (densidad del gas casi nula) todas las curvas
se cortan en la misma temperatura: -273.15 oC.
Dado que P=0 es la
presión más baja
posible (vacío perfecto),
esa temperatura debe
representar un límite
inferior para todos los
procesos físicos.
1)
Fig 16.4
Serway
tC ( oC)
0o C 100
oC
Esto sugiere que esta
temperatura tiene un
carácter universal, (no
depende de la sustancia
utilizada en el
termómetro)
2)
Mismo experimento,
pero realizado con
gases distintos
Termómetro de gas a volumen constante
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19/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
se define como "cero absoluto"se define como "cero absoluto"
Sirve de base para la escala Kelvin (absoluta) de temperaturaSirve de base para la escala Kelvin (absoluta) de temperatura
T = 0 K tC = - 273.15 oC
En esta escala, no se ha definido el
grado mediante un límite superior,
sino por identificación directa con la
Celsius:
Esa temperatura
Escala Kelvin
1K ≡ 1Cogrado de incremento
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20/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Conversión:Conversión:
Única diferencia: Desplazamiento del cero entre
ambas escalas
Única diferencia: Desplazamiento del cero entre
ambas escalas
El cero de la escala Celsius es arbitrario (elegido
como congelación del agua)
El cero de la escala Celsius es arbitrario (elegido
como congelación del agua)
El cero de la escala Kelvin es absoluto (no depende
de nada, es común para todas las sustancias)
El cero de la escala Kelvin es absoluto (no depende
de nada, es común para todas las sustancias)
Temp. CelsiusTemp. absoluta o
Kelvin
Escala Kelvin
tC = T—273.15
∆tC = ∆T
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21/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Elegidos por el Comité Internacional de Pesas y Medidas
para definir la escala de Temperatura Absoluta
Puntos termométricos
representativos
Punto de congelación del
agua
Punto de ebullición del
agua
Celsius Kelvin
0 oC
100 oC
0.01 oC
-273.15 oC
273.15 K
373.15 K
273.16 K
0 K
Punto triple del agua
Cero absoluto
(coexistencia de agua, vapor
y hielo en equilibrio)
dificiles de reproducir
en el laboratorio
Escala Kelvin
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22/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
0 Ttriple T (K)
0
Ptriple
T
P
triple
triple
TT P
P=
Escala Kelvin
La recta de calibración de un termómetro de gas a vol. constante pasa
por el punto (0,0), cero absoluto de temperatura y presión. La
temperatura de cualquier otro punto se puede obtener, por simple
proporcionalidad, en función de otro punto de temperatura y presión
conocidas, por ejemplo, el punto triple:
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23/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Con ello,
Grado kelvin= de la temperatura
del punto triple
Fig 16.6
Serway
El cero absoluto es inalcanzableEl cero absoluto es inalcanzable
Según Física Clásica Corrección Física Cuántica
EK|T=0 = 0 EK|T=0 6= 0
Energía del
punto cero
Temperaturas de algunos
procesos (escala logarítmica)
1
273.16
Escala Kelvin
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24/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Los materiales se dilatan al aumentar
su temperatura (ésa es la propiedad
que hemos utilizado para fabricar
termómetros). Esto ocurre debido a
que los átomos vibran con mayor
amplitud y las distancias medias
intermoleculares aumentan.
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25/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión linealExpansión lineal
Si tenemos una varilla de longitud Lo a una
temperatura inicial To, que se somete a un cambio de temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL:
0 L L TαΔ = Δ
Coef. de expansión lineal1 1 ó ( )oK C− −
Unidades:*(aproximación lineal, para rangos de
temperatura limitados)
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26/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Todas las dimensiones
lineales cambian según la
ecuación anterior: L puede
ser el espesor de una
varilla, la longitud de un
lado de una lámina o el
diámetro de un agujero.
Cuando un objeto sufre
expansión térmica, los
agujeros que contiene
también se expanden.
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27/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión volumétricaExpansión volumétrica
Es una consecuencia de la expansión lineal que sufren
las dimensiones lineales. Si tenemos un cubo de lado
L, cada lado se expande según la ecuación anterior, dando como resultado un aumento de volumen ΔV:
0 V V TβΔ = Δ
Coef. de expansión volumétrica1 o 1 ó (C )K − −
Unidades:
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28/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Obsérvese que
¿Por qué?
3β α=
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29/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Anomalía térmica
del agua
Anomalía térmica
del agua
El agua se
expande cuando
baja su
temperatura en
el rango de 4oC a
0oC.
Esta anomalía
permite la
conservación de
la vida en los
ambientes
acuáticos.
Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
30/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Bibliografía
•Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Serway & Jewett, “Física”, Ed. Thomson (vol. II)
•Halliday, Resnick & Walter, “Física”, Ed. Addison- Wesley.
•Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education (vol. II)•J. Aguilar, “Curso de Termodinámica” Ed. Alambra
•Çengel & Boles, “Termodinámica”, Ed. Prentice-Hall
Fotografías y Figuras, cortesía de
Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education