Termod 1 2011 I Ing. Ambien
Transcript of Termod 1 2011 I Ing. Ambien
Luis Angelats Silva
Termodinámica
Curso:
Luis M. Angelats [email protected]
PRIMERA UNIDAD: Cap.1
FISICA II – 2010 - I
UNT
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLODepartamento Académico de Física
17/05/2011
Escuela de Ingeniería Ambiental
Luis Angelats Silva
1. Temperatura y equilibrio térmico:
17/05/2011
La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es
decir, su capacidad para ceder energía calorífica. La temperatura depende del
movimiento de las moléculas que componen a la sustancia, si éstas están en
mayor o menor movimiento, será mayor o menor su temperatura
respectivamente.
Movimiento atómico o molecular: “Movimiento Browniano”
Sólido Líquido Gases
17/05/2011Luis Angelats Silva
CAMBIOS DE ESTADO
Sólido
Líquido
Gas
Sublimación
Fusión
Solidificación
Vaporización
Licuefacción
Sublimación inversa
Cambios progresivos (el sistema absorbe calor)
Cambios regresivos (el sistema cede calor)
17/05/2011
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Caliente Frío
“El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos dejan de
intercambiar energía por calor o radiación electromagnética si se ponen en
contacto térmico”
EQUILIBRIO TÉRMICO:
Balance Térmico de la Tierra: Efecto invernadero (“The Greenhouse Effect”)
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Ley Cero de la Termodinámica:
“Si los objetos (A y B) están separadamente en
equilibrio térmico con un tercero objeto (C), entonces
(A y B) están en equilibrio térmico entre sí”.
¿Cómo medimos la temperatura?
C
Equilibrio térmico (TA = TB)
“Podemos considerar la temperatura como la propiedad que determine si un objeto
está en equilibrio térmico con otros objetos”
Luis Angelats Silva
Pregunta de análisis 1:
Si dos objetos, con diferentes tamaños, masas y temperaturas diferentes, se colocan
en contacto térmico, la energía se transfiere ¿del objeto más grande al más
pequeño? ¿del objeto con más masa al de menos masa? ¿del objeto a temperatura
más alta al de temperatura más baja?
17/05/2011
2. Termómetros y escalas de la temperatura:
Fundamento para la construcción de los
termómetros:
Cambio en el volumen de un líquido
Cambio en la longitud de un sólido
Variación de la presión de un gas a volumen
constante
Cambio en el volumen de un gas a presión
constante
La resistencia eléctrica de un conductor
Cambio del color de un objeto
Ejemplo: Dilatación del mercurio por efecto
del agua caliente en el tubo de ensayo
20°C
30°C
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- Termómetros basados en dilatación de un sólido:
- Termómetros de infrarrojo:
La energía emitida en el infrarrojo es
proporcional a la cuarta potencia de la
temperatura del objeto, lo cual es detectado por
un sensor óptico que mide la energía térmica
emitida por el objeto. La señal analógica del
sensor es amplificada y convertida por un
circuito en una variable física (temperatura),
permitiendo visualizar en una pantalla la
medición en grados Celsius o Fahrenheit. Bajas temperaturas
-10 °C a +100°C Altas temperaturas
-50 °C a +800°C
( = 11 x 10-6 (°C-1)).
( = 19 x 10-6 (°C-1).
Cintas metálicas empleadas como interruptor de contacto eléctrico en un
termostato. Una cinta bimetálica se dobla cuando cambia la temperatura,
porque los dos metales tienen diferentes coeficientes de expansión.
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Escala Celsius (Tc) y Fahrenheit:
100 °C, 212 °F100 divisiones de 1 °C
180
32
100
0 FC TT
180 divisiones de 1 °F
0 °C, 32 °F
Agua + hielo Agua + vapor
100
Tc , TF
)32(9
5FC TT
FC TT9
5 Equivalencia
entre cambios
de temperatura
1. Un termómetro Celsius marca 50 ºC ¿Cuánto marcaría un termómetro Fahrenheit? Rpta:
122 °F
Ejercicios:
2. Si la temperatura sube en 30ºC. ¿en cuántos grados ºF sube la temperatura?
Rpta: TF = 1.88 Tc = 54 °C.
3. Un termómetro de precisión reporta que la temperatura ambiente es de: (24.8 0.8)°C.
Exprese este resultado en °F y en Kelvin (K).
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Relación entre escalas mas usadas para medir la temperatura:
T CT FT)32(
9
5FC TT
15.273CTT
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3. El termómetro de gas de volumen constante y la escala absoluta de
temperatura:
Calibración:
Un termómetro de gas a
volumen constante mide la
presión del gas contenido
en el frasco inmerso en el
baño
Gráfica de presión vs.
temperatura tomada con un
termómetro de gas a
volumen constante
Pruebas experimentales de presión vs.
temperatura, en las que los gases tiene
presiones diferentes en un termómetro
de gas a volumen constante.
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0°
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Temperaturas absolutas a las que se
presentan varios procesos físicos
(Escala logarítmica)
Un termómetro de gas de volumen constante está calibrado en hielo seco (es decir, dióxido de
carbono en estado sólido, que tiene una temperatura de -80°C) y en alcohol etílico en
ebullición (78.0°C). Las dos presiones son 0.900 atm y 1.635 atm. (a) ¿Qué valor Celsius del
cero absoluto da la calibración? ¿Cuál es la presión en (b) el punto de congelación del agua y
(c) el punto de ebullición del agua?
Ejercicio 4:
15.273CTT
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Expansión térmica de sólidos y líquidos:
DILATACION TERMICA:
Movimiento oscilatorio de las
posiciones atómicas por efecto de la
temperatura. A mayor temperatura,
mayor amplitud de vibración.
10-10 m
4.1 Coeficiente de dilatación lineal:
L T
LL i/
if TTT
if LLLdonde,
Li
Lf
)( ifiif TTLLLó
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La expansión térmica es una consecuencia del cambio en
el promedio de separación entre los átomos en un cuerpo.
TLL ió
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¿Los agujeros se hacen más grandes o más
pequeños?
“una cavidad en una pieza de material se expande
en la misma forma como si la cavidad estuviera
llena con el material”
Expansión o dilatación térmica de una arandela
homogénea de metal. Conforme la arandela es
calentada, todas las dimensiones se incrementan.
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4.2 Coeficiente de dilatación volumétrica:
T
VV i/ó )( ifiif TTVVV
Con: = 3
Vi
Vf
Demostrar!!
Tarea: Demostrar que el cambio en área de una placa
rectangular está dada por: TAA i2
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17/05/2011
17/05/2011Luis Angelats Silva
Ejercicio 5:
Un segmento de vía de acero para ferrocarril tiene una longitud de 30 000 m cuando la
temperatura es 0.0 °C. (a) ¿Cuál es la longitud cuando la temperatura es 40.0 °C? (b)
Suponga que los extremos del riel están rígidamente sujetos a 0.0 °C de modo que se
impide su expansión ¿cuál es el esfuerzo térmico establecido en el riel si su temperatura
se eleva a 40.0 °C?(Módulo de Young para el acero: Y = 20 x1010 N/m2) (c) ¿Qué pasaría
si la temperatura baja a -40.0 °C? ¿cuál es la longitud del segmento no sujeto?
Pregunta de análisis 2:
Si a un estudiante le piden hacer un termómetro de vidrio muy sensible, ¿cuál de los
siguientes líquidos de trabajo escogería? (a) mercurio, (b) alcohol, (c) gasolina (96 x
10-5°C-1), (d) glicerina
Pregunta de análisis 3:
Dos esferas están hechas del mismo material y tienen el mismo radio, pero una es
hueca y la otra es sólida. Las dos esferas son llevadas al mismo aumento de
temperatura, ¿cuál se expande más? La esfera sólida, la esfera hueca o ¿ambas se
expande la misma cantidad?
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Ejercicio 6: El corto electrotérmico
Un dispositivo electrónico ha sido diseñado en forma deficiente de modo que dos tronillos
unidos a piezas diferentes del dispositivo casi se tocan entre sí en su interior (ver Fig.). Los
tornillos de acero (11 x 10-6°C-1) y bronce (19 x 10-6°C-1) están a diferentes potenciales
eléctricos y si se tocan se produce un cortocircuito dañando al dispositivo. Si la distancia
entre los extremos de los tornillos es 5.0 m a 27°C, ¿a qué temperatura se tocarán los
tronillos? Rpta. 34°C.
Analice el siguiente ejercicio:
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5. DESCRIPCION MACROSCOPICA DE UN GAS IDEAL (gas de baja densidad):
En el modelo de gas ideal se supone que las moléculas son partículas
puntuales que colisionan o interaccionan entre sí. Cada molécula se
mueve en línea recta hasta que choca con las paredes del recipiente y
retrocede.
Un gas ideal confinado en
un cilindro cuyo volumen
puede ser variado por
medio del movimiento del
pistón.
Ecuación de estado para un gas ideal:
nRTPV Ley del gas ideal
donde,
M
mn Número de moles relacionada a la masa m
y, M = Masa molar de la sustancia
Ejemplo: La masa molar de cada elemento químico es la masa atómica
expresado en g/mol. Así: la masa de un átomo de He es 4.00 u (unidades de
masa atómica), de modo que la masa molar del He es 4.00 g/mol.
R Constante universal de los gases [8.315 J/mol.K ó 0.08214 L.atm/mol.K]
Observación: Un mol de cualquier sustancia es la cantidad de la
sustancia que contiene el número de Avogadro NA = 6.022 x 1023 de
partículas constitutivas (átomos o moléculas)”
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“Un gas es considerado ideal cuando
PV/nT es constante a todas las presiones”
Luis Angelats Silva
Como también n = N/NA, entonces podemos expresar la ley de los gases ideales en
términos del número de moléculas N:
RTN
NnRTPV
A
ó TNkPV B
NA Número de Avogadro= 6.022 x 1023 (partículas
contituyentes: átomos o moléculas)
KB Constante de Boltzman = = 1.38 x 10-23 J/KA
BN
Rk
Un gas ideal ocupa un volumen de 100 cm3 a 20°C y 100 Pa. (a) Encontrar el número de
moles de gas en el recipiente. (b) ¿Cuántas moléculas existen en el container? Rpta: 4.11
x 10-6 mol, 2.47 x 1018 moléculas.
Ejercicio 7:
Ejercicio 8:
Una lata del aerosol conteniendo una gas propelente al doble de la presión atmosférica
(202 kPa) y que tiene un volumen de 125 cm3 está a 22 °C. Luego se arroja a un fuego
abierto. Cuando la temperatura del gas de la lata llega a 195 °C, ¿cuál es la presión del
interior de la lata? Asuma que cualquier cambio en el volumen de la lata despreciable.
Rpta. 320 kPa.
REVISAR PROBLEMAS TEXTO: R. SERWAY – J. W. Jewett , 6ta Edic. Vol. 1, págs.596 -602
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