1

Electricidad y calor

Webpage: Webpage: http://paginas.fisica.uson.mx/qbhttp://paginas.fisica.uson.mx/qb

©2007 Departamento de FísicaUniversidad de Sonora

TemarioA. Termodinámica

1. Temperatura y Ley Cero. (3horas)1. Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica.

2. Concepto de temperatura.

3. Tipos de termómetros.

4. Escalas de temperatura.

5. Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y Líquidos.

2. Calor y transferencia de calor. (5horas)1. Concepto de calor y su equivalente mecánico.

2. Capacidad calorífica y calor específico.

3. Calor en los cambios de temperatura.

4. Calor en los cambios de fase: calor latente de fusión y evaporación.

5. Formas de transferencia de calor y sus características: conducción, convección y radiación

2

Temario3. Gases ideales y estados termodinámicos. (3horas)

1. Concepto y características del gas ideal.

2. Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Gay-Lussac e hipótesis de Avogadro.

3. Ecuación de estado del gas ideal pV=nRT y su aplicación en la determinación de los diferentes estados termodinámicos y su representación grafica de presión vs. volumen.

4. Primera Ley de la Termodinámica. (6horas)1. Concepto de Trabajo aplicado a gases.

2. Trabajo hecho por un gas ideal para los procesos: Isocóricos, isotérmicos, Isobáricos y adiabáticos.

3. El calor en los procesos termodinámicos.

4. Concepto de energía interna.

5. Primera ley y los procesos termodinámicos: Isocórico, Isotérmico, Isobárico y Adiabático para un gas ideal.

6. Ejemplos de aplicaciones de la primera ley de la termodinámica.

Temario5. Segunda Ley de la Termodinámica. (6 horas)

1. Máquinas térmicas y su eficiencia.

2. Segunda ley de la termodinámica: Enunciados de Kelvin-Planck y Clausius.

3. Motores térmicos.

4. Refrigerador.

5. Ciclo de Carnot, procesos termodinámicos reversibles e irreversibles.

6. Entropía y segunda ley de la termodinámica.

7. Cálculo del cambio de entropía en procesos. Isotérmicos, Isobáricos, Adiabáticos e Isocóricos.

3

Temas

1. Temperatura y ley cero.

i. Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica. ii. Concepto de temperatura. iii. Tipos de termómetros. iv. Escalas de temperatura. v. Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y

Líquidos

Termodinámica en equilibrio

•Termodinámica clásica

•Termodinámica estadística

Termodinámica fuera del equilibrio

•Termodinámica cercana al equilibrio

•Termodinámica muy lejos del equilibrio

TERMODINÁMICA

4

Conceptos fundamentales

Un sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, que pasa a ser el entorno del sistema.

El sistema y su entornoforman el universo. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

Universo

SistemaFrontera

Alrededor o entorno

El sistema y los alrededores pueden interaccionar el uno con el otro, a través de los limites o frontera del sistema, las cuales pueden ser

Universo

Sistema Frontera

entorno

Permeables

Impermeables

Intercambio de materia

No hay intercambio de materia

•Diatérmicos

•Adiabáticos

Intercambio de calor

No hay intercambio de calor

5

Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en:

Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

Un sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia.

Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno.

6

Sistema termodinámicoUna definición mas puntual de sistematermodinámico es “cualquier cantidad de materia o radiación lo suficientemente grande como para ser descrito por parámetros macroscópicos, sinninguna referencia a sus componentes individuales(microscópicos)”. (la posición y la velocidad de las partículas en cada instante)

El estado de un sistema representa la totalidad de las propiedades macroscópicas asociadas con él. Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.

Se dice que ocurre una transformación en un sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado dentro del mismo a lo largo del tiempo.

Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación es abierta.

Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.

Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es infinitesimal.

El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino seguido.Eso es posible gracias a las funciones de estado.

7

Un sistema específico para procesos termodinámicos

» Un gas en un cilindro con un pistón y una masa variable encima del pistón. Está en contacto con una reservorio térmico que se usa para controlar la temperatura.

» Se pede variar la presión del gas cambiando la masa, la presión es peso dividido por el área.

» Se puede variar el volumen del gas al permitir que el pistón se mueva.

» El reservorio provee o absorbe calor del sistema y así variar la temperatura

Noción cotidiana de la temperatura; Es la propiedad física de los sistemas que precisa y cuantifica nuestras nociones de caliente y frío.

Los materiales más calientes tienen mayor temperatura

Equilibrio térmico y temperatura. Ley cero

8

Sin embargo …

La temperatura es una propiedad de un objeto que estárelacionada con el hecho de que el objeto esté o no en equilibrio con otro objeto con el cuál está en contacto.

Si están en equilibrio el estado de los objetos no cambia. Tendrán el mismo valor de temperatura.

Si no están en equilibrio, no tendrán el mismo valor de temperatura. Ocurrirá un proceso que hará que baje la temperatura del más alto y suba la del más bajo para llevarlos a ambos a la misma temperatura y al equilibrio.

Ley Cero de la Termodinámica

El equilibrio tEl equilibrio téérmico implica:rmico implica:

•• la misma temperatura en los la misma temperatura en los cuerpos (no el mismo calor)cuerpos (no el mismo calor)•• si dos cuerpos estsi dos cuerpos estáán en equilibrio n en equilibrio ttéérmico y uno de ellos alcanza el rmico y uno de ellos alcanza el equilibrio con un tercero, el equilibrio con un tercero, el primero tambiprimero tambiéén alcanza el n alcanza el equilibrio tequilibrio téérmico con el tercero rmico con el tercero

Los cuerpos que estLos cuerpos que estáán en contacto, n en contacto, directamente o a travdirectamente o a travéés del aire, alcanzan la s del aire, alcanzan la misma temperaturamisma temperatura

9

Esta no es una deducción lógica sino un hecho experimental.

En consecuencia es posible definir una escala de temperaturas.

El termómetro es el objeto A que ha sido calibrado con un objeto y se usa para medir la temperatura de un tercer objeto C.

Medición de temperatura

Termómetro: material que posea una propiedad termométrica:

Cambie con la temperatura.Se puede medir fácilmente.

Para definir una escala, hay que definir dos cosas:

El punto cero.El tamaño de la unidad

L100

L0

L

10

Escalas de TemperaturaSe usan tres escalas en la práctica y es bueno conocerlas.

La escala CelsiusLa escala FahrenheitLa escala Kelvin

La escala Celsius0º C punto congelación agua a 1 atm

100º C punto ebullición agua a 1 atm

Si estamos hablando de cambios de temperatura o diferencias de temperatura, entonces ∆TC = ∆T

La escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit:

-Ambos el tamaño de la unidad y el punto cero son diferentes a los anteriores.

32º F punto congelación agua a 1 atm.212º F punto ebullición agua a 1 atm.

- Relación matemática entre temperatura Fahrenheit y Celsius y temperatura Kelvin.

TF = 1.8 TC + 32

ΔTF = 1.8 ΔTC

11

La escala Kelvin:

El punto cero es la temperatura más baja que existe. Ese punto tiene un significado físico especial (no hay movimiento de los átomos). Por eso, esta escala será la más útil especialmente cuando estemos enunciando las leyes de la termodinámica.

El tamaño de la unidad lo determina el hecho de que se define el punto triple de agua como la temperatura 273.15K. Y es igual que el de la escala Celsius

Relación matemática entre temperatura Celsius y temperatura Kelvin:

T = Tc + 273.15

KK - 273.15(K-273.15)*9/5+32KºC + 273.15ºC(ºC * 9/5) + 32ºC

(ºF-32)*5/9+273.15(ºF - 32)*5/9ºFºFhacia Kelvinhacia Celsiushacia FahrenheitDe

Relación entre las escalas de Temperatura

12

Termómetro a volumen constante y escala Kelvin

Temperaturas típicas en el universo

Nota la escala logarítmica en las

temperaturas.

13

Expansión Térmica Lineal

Es un fenómeno de gran importancia práctica y también muchos termómetros comunes trabajan en base a este fenómeno.La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad pero es una buena aproximación para propósitos prácticos.

TLLi

Δ∝Δ

La expansión térmica es una consecuencia del cambio en la separación promedio entre los átomos constituyentes del cuerpo. La expansión se da en cada una de las direcciones (o dimensiones) y es proporcional al cambio la temperatura.

O bien

La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad pero es una buena aproximación para propósitos prácticos.

El coeficiente de expansión térmica lineal α, es una propiedad del material y tiene unidades de grado inverso, y T es la temperatura. Los subíndices i y f, se refieren a los valores inicial y final, respectivamente.

TLL iΔ=Δ α)( ifiif TTLLL −=− α

14

Ejemplos de Expansión Térmica Lineal

Expansión Térmica Volumétrica

El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los sólidos pero podemos definir un coeficiente de expansión volumétrica β para líquidos y sólidos; el cual también tiene unidades de grado inverso, de forma que

αβ 3 =

Si el material es un sólido hay una relación entre el coeficiente volumétrico y el coeficiente lineal que puedes calcular considerando un cubo de material de lado L.

)(3 ifiif TTVVV −=− αiV V TβΔ = Δ

15

Tabla de coeficientes de expansión térmica para diferentes materiales.

Inusual expansión térmica del agua