Unidad III
Unidad III
Unidad III
Profesor:
Gilberto Pimentel
V-20.317.430
Ingeniero Civil
C.I.V: 251.126
Periodo II-2019
Se ha preguntado alguna vez ¿qué le pasa a la energía cinética de un objeto cuando cae
al suelo y queda en reposo?, o ¿cómo puede enfriar un refrigerador? Las leyes de la
termodinámica y los conceptos de calor y de temperatura nos permitirán contestar estas
preguntas. En general, la termodinámica trata con las transformaciones físicas y químicas
de la materia en todos sus estados: sólido, líquido, gas o plasma.
El objeto de estudio de la física térmica trata con los fenómenos que comprenden
transferencias de energía entre cuerpos que están a diferentes temperaturas. En el estudio de
la mecánica, se definieron claramente conceptos como masa, fuerza y energía, para hacer la
descripción en forma cuantitativa. De la misma forma, una descripción cuantitativa de los
fenómenos térmicos requiere una definición clara de los conceptos de temperatura, calor y
energía interna.
La ciencia de la termodinámica está relacionada con el estudio del flujo de calor desde
un punto de vista macroscópico.
La Temperatura es, por lo tanto, una propiedad física intensiva, es decir, no cambia si
variamos el tamaño del sistema dejando todo lo demás igual. Por ejemplo, si un trozo de
hierro tiene una temperatura determinada y lo partimos en dos, cada trozo no tiene la mitad
de temperatura que el trozo inicial. Esto no sucede, por el contrario, con la masa: cada trozo
de hierro tiene la mitad de masa que el inicial. De ahí que la masa sea una
propiedad extensiva, al contrario que la temperatura. Una vez más, cuestión de
definiciones, pero no está mal ir ganando vocabulario para luego.
La Temperatura es el nivel térmico de los cuerpos, es una forma de medir la energía
cinética interna de dicho cuerpo. En el SI la unidad de temperatura es el Kelvin (K) aunque
habitualmente utilizamos la escala Centígrada de Celsius (°C) para medir la temperatura.
Para tener una referencia común en las distintas escalas de medidas de temperatura se
recurre a dos puntos fijos, los cuales se utilizan para calibrar los termómetros:
Función del hielo = 0 °C=273 K a presión de la atmosférica normal.
Ebullición del agua= 100 °C=373 K a presión de la atmosférica normal.
La presión de la atmosférica normal es 1 atm (atmosfera) medida al nivel del mar, o
lo que es lo mismo, 760 mmHg (milímetro de columna de mercurio).
Escala Celsius: la escala Centígrada o Celsius (°C) asignan el valor “cero” (0°C) al punto
de congelación del agua o de función del hielo. El punto superior de ebullición del agua (a
una presión de 760mm de Hg) tiene asignado el valor “cien” (100°C).La escala está
dividida en cien parte iguales, correspondiendo cada una de ellas a 1°C. Temperaturas por
debajo de 0°C se asigna como “negativas”, ver figura:
Escala Fahrenheit: en la escala Fahrenheit el punto de congelación del agua (o función del
hielo) está marcado como 32°F y el punto de ebullición del agua (a una presión de 760mm
de Hg) como 212°F. Entre los puntos de congelación y de ebullición del agua se tiene así
180°F (grados Fahrenheit)
Temperatura de Equilibrio:
temperatura del recipiente de más temperatura y por encima de la del recipiente de menos
temperatura”
Todos sabemos que un cuerpo caliente tiende a aumentar la temperatura de los cuerpos
que lo rodean, mientras que un cuerpo frío provoca una disminución de temperatura a su
alrededor. En términos más rigurosos podemos afirmar que, cuando dos sustancias a
diferentes temperaturas se encuentran próximas, se produce entre ellas un intercambio de
energía que tiende a crear el equilibrio térmico, que se produce cuando ambas temperaturas
se igualan.
En este caso ideal aún puede hacerse una simplificación más: que únicamente se
consideren las sustancias calientes y frías y no los recipientes, que se considerarían
recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes
térmicos; el caso real más parecido sería un termo o un saco de dormir con relleno de
plumas.
Medición de la Temperatura:
“Un termómetro clínico como el de la imagen es muy utilizado para medir la temperatura
corporal de las personas, este funciona gracias a una pequeña columna de mercurio que se
dilata”
Una de las temperaturas de punto fijo que se elige normalmente es la de una mezcla de
agua y hielo a la presión atmosférica, que se define como cero grado Celsius denotado por
0º C. Otro punto fijo conveniente es la temperatura de una mezcla de agua y vapor de agua
en equilibrio a la presión atmosférica, al que se le asigna el valor de 100º C. Una vez que se
han fijado los niveles de la columna de mercurio en estos puntos, se divide en 100 partes
iguales, donde cada una de estas representa un cambio de temperatura equivalente a un
grado Celsius (Anders Celsius, sueco, 1701-1744). Así se define una escala de temperatura
llamada escala centígrada o escala Celsius. Un problema práctico de cualquier termómetro
es su rango limitado de temperaturas.
T = aP + b (1)
Donde a y b son constantes, que se pueden determinar a partir de dos puntos fijos, tales
como los puntos de hielo y vapor.
Los experimentos demuestran que cuando se miden las temperaturas con diferentes
termómetros y con diferentes gases, las lecturas son independientes del tipo de gas que se
use, siempre que la presión no sea muy alta. La concordancia mejora al reducirse la presión.
Esta concordancia significa que la intersección b de la ecuación 1 es la misma para todos
los gases. Esto se muestra en un gráfico de presión – temperatura, para un gas 1, gas 2 y gas
3, cualesquiera. Cuando se extrapola la recta de presión a temperaturas muy bajas (líneas de
puntos), se encuentra que la presión es cero cuando la temperatura alcanza el valor -273.15º
C. Esta temperatura corresponde a la constante b en la ecuación 12.1. La extrapolación es
necesaria, ya que todos los gases se licuan antes de llegar a esa temperatura. Punto triple del
agua. Corresponde a la temperatura y presión únicas en las que el hielo, el agua y el vapor
de agua pueden coexistir en equilibrio.
La temperatura en el punto triple del agua en la nueva escala, dada por la ecuación 1, se
tomó como 273.16 kelvin, abreviado 273.16 K. Esta elección se hizo para que la vieja
escala centígrada de temperatura basada en los puntos del hielo y del vapor coincidiera
cercanamente con esta nueva escala basada en el punto triple del agua. Esta nueva escala se
llama escala de temperatura termodinámica y la unidad SI de la temperatura
termodinámica, el Kelvin K, se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura del
punto triple del agua (Williams Thompson, inglés, 1824-1907, Primer Barón de Kelvin,
Lord Kelvin).
TC = T – 273.15
∆l = α l ∆T (1)
Como las dimensiones lineales de los cuerpos cambian con la temperatura, se deduce que el
área y el volumen del cuerpo también cambian con la temperatura. El cambio en el
volumen a presión constante es proporcional al volumen original V y al cambio de
temperatura, lo que se puede escribir como:
∆V = β V ∆T (2)
∆V = 3α V ∆T (3)
De la misma forma, para una hoja o placa delgada, el cambio en el área de una placa
isotrópica es:
∆A = 2α A ∆T (4)
significa que los materiales se contraen en alguna dirección cuando aumenta la temperatura,
por ejemplo la goma.
Casi todos los líquidos se expanden al calentarse, ¡pero el agua fría hace todo lo
contrario!, este comportamiento del agua es muy extraño, pero que se le va a hacer,
suponemos que la creación es perfecta y se debe aceptar tal como es. El agua a 0º C se
contrae al aumentar su temperatura hasta alcanzar los 4º C, valor a partir del cual comienza
a expandirse, expansión que continua hasta el punto de ebullición. Una cantidad dada de
agua alcanza su volumen mínimo, y por lo tanto su densidad máxima a 4º C. La misma
cantidad de agua tiene su volumen máximo, y por lo tanto su densidad mínima en forma de
hielo, por eso el hielo flota sobre el agua. Una vez convertida en hielo, el agua se contrae si
seguimos reduciendo su temperatura.
La explicación de este comportamiento tiene que ver con la extraña estructura cristalina
del hielo. Los cristales de la mayor parte de los sólidos están estructurados de tal manera
que el estado sólido ocupa un volumen menor que el estado líquido. Pero el hielo tiene
cristales de estructura abierta, consecuencia de la forma angular de las moléculas de agua
(figura 2) y del hecho de que las fuerzas que unen las moléculas de agua son más intensas a
ciertos ángulos. Las moléculas de agua en esta estructura abierta ocupan un volumen mayor
que en el estado líquido. Por eso el hielo es menos denso que el agua.
Figura 2
Ejercicios:
Realiza las siguientes conversiones de temperatura para que apliques las fórmulas de
conversión de temperatura:
a) 212°F a °C
b) 100°C a °F
c) 25°C a °K
d) 70°F a °K
e) 373°K a °C
f) 500°K a °F
g) 590°R a °C y °F
h) 320°K a °C y °R