termodinamica ing. luis felipe castellanos castellanos correo electrÓnico:...
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2.1 TEMPERATURA, CALOR, EXPANSIÓN. ¿Qué es Temperatura?
¿Qué es Calor?
¿Qué es Expansión?
Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro
Es el proceso de transferencia de energía térmica entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas.
Es el efecto de extenderse o dilatarse (esparcir, desparramar, desenvolver, desplegar, dar mayor amplitud o hacer que algo ocupe más espacio)
2.1.1 TEMPERATURA.
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
2.1.2 CALOR. El calor es el proceso de transferencia
de energía térmica entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.
La Radiación térmica sucede cuando un cuerpo está más caliente que su entorno, pierde calor hasta que su temperatura se equilibra con la de dicho entorno.
La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía calorífica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo o entre diferentes cuerpos en contacto por medio de transferencia de energía cinética de las partículas.
La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos (líquido o gas) transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas.
2.1.3 EQUILIBRIO TÉRMICO.
Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.
ESCALA CELSIUS “ °C ”Fenómeno Temperatura
Punto de ebullición del agua 100.0 °C
Temperatura corporal normal 36.5 °C
Punto de fusión del agua 0 °C
Cero absoluto -273.15 °C
ESCALA KELVIN “ °K ”Fenómeno Temperatura
Punto de ebullición del agua 373.13 °K
Cero absoluto 0 °K
Punto de fusión del agua 273.15 °K
ESCALA FAHRENHEIT “ °F ”Fenómeno Temperatura
Punto de ebullición del agua 211.97 °F
Cero absoluto - 459.67 °F
Punto de fusión del agua 32 °F
De Escala Fahrenheit a Escala Kelvin:
De Escala Kelvin a Escala Fahrenheit:
De escala Celsius a Escala Kelvin:
De escala Kelvin a Escala Celsius:
2.1.5 CONVERSIÓN DE TEMPERATURA
2.1.6 DILATACIÓN TÉRMICA (LÍNEA, VOLUMÉTRICA, EN LÍQUIDOS Y GASES).
¿Qué es la dilatación térmica?Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio.
Invierno Verano
¿Qué ocurrió?
Variaciones que se producen en un cuerpo debido a un cambio de temperatura.
PROPIEDADES TERMOMÉTRICAS
Cambio del color del cuerpo
Cambio de la resistividad
eléctrica del cuerpo
Cambio del volumen del cuerpo
DILATACIÓN CONTRACCIÓN
A nivel microscópico, ¿por qué se dilata o contrae un cuerpo?
SEGÚN LA DIMENSIÓN PRINCIPAL DEL OBJETO TENEMOS:
Dilatación
Lineal Superficial Volumétrica
DILATACIÓN LINEAL DE UN SOLIDO
Cuando un solido sufre un cambio de ΔΤ, su incremento en la longitud ΔL es casi proporcional al producto de la longitud inicial por el cambio de temperatura ΔΤ.
ΔL = ΔΤ
= coeficiente de dilatación lineal.
Cambio de longitud por cambio de temperatura.Un elevador usa una cinta metálica de acero que tiene exactamente 50000 m de longitud a 20ºC ¿Qué longitud tiene en un día de verano caluroso en que la temperatura es de 35ºC?
SoluciónSe trata de un problema de expansión lineal donde: la incógnita es la nueva longitud L = ∆L + Lo y conocemos Lo= 50000m, To= 20ºC, Tf= 35ºC y el coeficiente de expansión lineal para el acero α=1.2 x 10-5 K-1, luego ∆L = α ∆T Lo
∆L = 1.2 x 10-5 K-1 (35ºC- 20ºC)(50000m) ∆L = 9m
Luego L=∆L + Lo
L= 9m +50000m L = 50009m.
DILATACIÓN SUPERFICIAL Si un área se dilata a + ΔΤ cuando se incrementa su temperatura en ΔΤ entonces:
ΔA = γ ΔΤ γ = es el coeficiente de dilatación superficial para un solido isotrópico (que se expande igual en todas las direcciones ) γ = 2 aproximadamente
Una placa circular de aluminio (α = 22 X 10-6 1/°C) tiene un diámetro de 35cm; si su temperatura se incrementa en 200 °C
¿Cuál será la nueva área de la placa?
Af = Ao (1 + 2 * α * (Tf -To)) (α se multiplica `por 2 porque es dilatación superficial)
Ao = 2 * pi * R = 109,95cm2
Af = 109,95cm2 * ( 1 + 2 * 22.10^-6 1/°C * 199°C ) = 110.9170982 cm2
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
Si el volumen se dilata a + ΔV cuando se incrementa la temperatura en ΔT, entonces
ΔV = β ΔT
β = es el coeficiente de dilatación volumétrica para un solido isotrópico (que se expande igual en todas las direcciones ) β = 3 aproximadamente
Un recipiente que está lleno hasta el tope con 800 cm3 de mercurio (β= 180 X10-61/°C) a una temperatura de 30°C ¿Qué tanto mercurio se derrama si la temperatura aumenta hasta los 250 °C?
Con los datos que tiene se supone que el recipente no dilata o que su dilatación es despreciable
Vf = Vo (1 + β ( Tf - To ) )
Vf = 800cm3 * (1 + 180.10^-6 1/°C * 220°C ) = 831,68cm3
se derraman 31,68cm3
ACTIVIDAD1. ¿Qué tipos de termómetros existen? Explica
brevemente cada uno.
2. Describe cada una de las siguientes escalas termométricas. Haz un dibujo indicando su rango
Escala Celsius Escala Fahrenheit Escala Kelvin
3. Expliquen que sucede, a nivel microscópico, con las moléculas de la sustancia que contiene un termómetro al ponerlo en contacto con agua caliente y con agua fría.
4. Mide tu temperatura corporal con el termómetro de referencia y exprésela en las diferentes escalas de temperatura que conoces.
SECCIÓN DE
PROBLEMAS
2.1.7 LEY DE GAY LUSSAC.
La ley de Gay-Lussac dice: En aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta si la presión se mantiene constante
Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura (Kelvin) permanece constante:
donde:
P es la presión T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)
Esta ley fue enunciada en 1802 por el físico y químico francés Louis Joseph Gay-Lussac.
Como sin importar que presión o que volumen su cociente no cambia, podemos relacionar las presiones y volúmenes de un gas en un estado inicial y uno final.
Igualando las ecuaciones de un gas en dos momentos diferentes, obtenemos la ley de Gay-Lussac que nos servirá para describir a un gas que cambia volumen o temperatura a presión constante.
2.1.8 LEY DE CHARLES.Ley de Charles, es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.
donde:
V es el volumen. T es la temperatura absoluta (es decir, medida
en Kelvin). k es la constante de proporcionalidad.
𝑽𝑻
=𝒌
Además puede expresarse como:
donde:
= Volumen inicial = Volumen final= Temperatura inicial = Temperatura final
2.1.9 LEY GENERAL DE LOS GASES.
La ley combinada de los gases o ley general de los gases es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra mientras todo lo demás se mantiene constante. La ley de Charles establece que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales entre sí, siempre y cuando la presión se mantenga constante. La ley de Boyle afirma que la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre y cuando se encuentre a un volumen constante. La interdependencia de estas variables se muestra en la ley de los gases combinados, que establece claramente que:
La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece constante.
Esto matemáticamente puede formularse como:
donde:P es la presiónV es el volumenT es la temperatura absoluta (en kelvins)K es una constante (con unidades de energía dividido por la temperatura) que dependerá de la cantidad de gas considerado.Otra forma de expresarlo es la siguiente:
2.2 TRANSMISIÓN DEL CALOR.
La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
2.2.1 CONDUCCIÓN. Es la transferencia de calor que se produce a través
de un medio estacionario -que puede ser un sólido o un fluido- cuando existe un gradiente de temperatura.
2.2.2 CONVECCIÓN.
Es la transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas.
2.2.3 RADIACIÓN. Esta es en ausencia de un medio, existe una
transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.
2.3 TERMODINÁMICA.La termodinámica (del griego θερμo, termo , que significa «calor» y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel microscópico.En pocas palabras, la Termodinámica es el fenómeno que tienen los cuerpos que se encuentran en los estados líquido, sólido, y gaseoso cuando sufren un cambio de temperatura interna. Esta dilatación se puede dar lineal, superficial, y volumétricamente. Normalmente los sólidos se dilatan lineal o superficialmente.
2.3.1 EL CERO ABSOLUTO. Este principio o ley cero, establece que existe una
determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con un con uno dado. “EQUILIBRIO TERMICO”
Este principio o ley cero = EQUILIBRIO TERMICO”
«Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se
igualan» o dado.
2.3.2 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica , establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
"La energía ni se crea ni se destruye: sólo se transforma".
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
2.3.3 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario.
(por ejemplo, que una mancha de tinta
dispersada en el agua pueda volver a
concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas.
Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.
2.3.4 MÁQUINAS TÉRMICAS.Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.
MAQUINA DE VAPOR
