7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 1/25

FISICA II para Ingeniería CivilSemana 10

Primera ley de la termodinámica

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 2/25

y

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 3/25

SESIÓN 2

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 4/25

Propósitos de la sesión Establecer la diferencia entre calor y temperatura.

Aplicar el principio de conservación de energía en

calorimetría.

Resolver situaciones físicas con flujo de calor y

cambios de temperatura.

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 5/25

Temperatura,  

Es una magnitud  referida a las nociones comunes de caliente,tibio o frío que puede ser medida con un termómetro.

Es 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 (promedio)

de sus partículas al moverse, sea en un sentido traslacional,

rotacional, o en forma de vibraciones.

A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, seobserva que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que sutemperatura es mayor.

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 6/25

Energía interna

• Es toda la energía de un sistema asociada a suscomponentes microscópicos: átomos y moléculas.

•  Incluye la energía cinética  de átomos y moléculasdebido a: – Movimiento traslacional aleatorio.

 – Movimiento rotacional. – Movimiento vibracional  asociada con fuerzas entre los

átomos en las moléculas.

• Incluye la energía potencial eléctrica asociada con

fuerzas entre moléculas.

No se incluye la energía cinética de traslación delsistema en el espacio.

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 7/25

El calor  se define como la transferencia de energía  a

través de los límites de un sistema debido a una

diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno.

El término calor  también se utiliza para representar lacantidad de energía  transferida por este método.

Calor,  

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 8/25

Las moléculas rápidas del aire debido a la combustión, chocancontra las moléculas del metal de la olla, éstas vibran y transfierenpor choques la energía cinética a las moléculas del agua.

Calor es la energía (energía

térmica) en tránsito.

Los cuerpos no almacenan

calor sino energía térmica(energía interna)

Calor,  

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 9/25

Cambio de energía interna

• La transferencia de calor y trabajo

cambia la energía interna del sistema.

• Aún sin transferencia de calor al

sistema, se cambia su energía interna

mediante trabajo.

¿De qué forma setransfiere energía

(gana o pierde) al gasmediante el pistón?

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 10/25

Transferencia de calor

 

 

 

 

El bloque  a temperatura , al calentarlo con la cocinillaeléctrica se transfiere calor   al bloque hasta la

temperatura .

Calentador

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 11/25

   

∝ ∆ 

  ∝  

El calor transferido al bloque es proporcional al aumento de latemperatura del bloque.

A mayor masa del bloque, más cantidad de calor para el mismo

aumento de temperatura.

∆ = −  

   

Relaciones entre calor, masa ytemperatura

 

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 12/25

Unidades del calor

• En la historia, la caloría fue la unidad de calor.

 –

Cantidad de energía transferida necesaria para que 1 g deagua cambie su temperatura de 14,5oC a 15,5oC.

• 1 caloría = 4,186 Joule. Se conoce como equivalentemecánico del calor. 

donde , es el calor específico.

= ∆ 

Luego, combinando las dos relaciones anteriores , resulta:

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 13/25

Capacidad calorífica,  

Es la cantidad de energía necesaria para aumentar la

temperatura de una muestra en 1 °C.

= ∆ 

= ∆ 

=  

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 14/25

Calor específico,  

Es la capacidad calorífica por unidad de masa.

Si la energía   transferida a una muestra de masa  

produce un cambio de temperatura ∆, entonces el

calor específico  es:

 = 

∆

 

 A. Tuesta V .

A T t V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 15/25

 A. Tuesta V .

A T t V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 16/25

Calor específico de algunas sustancias

 A. Tuesta V .

A T t V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 17/25

Transferencia de calor entre

cuerpos en contacto térmico

1 

1  2 

2 

¿Qué ocurre si los dos cuerpos se ponen en contacto

térmico?

 <  

 A. Tuesta V .

A Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 18/25

 

 

 

El cuerpo 2 ha perdido calor 2 y el cuerpo 1 ha ganado calor 1 tal

que ambos son iguales, resultando que la temperatura de equilibrio

está entre las temperaturas iniciales de ambos cuerpos.

 = ( − ) 

   −   +    −   =  

 = ( − ) 

Temperatura de equilibrio,  

2 + 1 = 0 

Transferencia de calor entre dos cuerpos a

temperaturas diferentes

 A. Tuesta V .

A Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 19/25

Equivalente mecánico del calor

• Joule establece laequivalencia entreenergía mecánica yenergía interna.

• La pérdida de energíapotencial gravitacionalde los bloques es igual

al trabajo hecho por laspaletas sobre el agua.

 A. Tuesta V .

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 20/25

Convención de signos

• Si la temperatura aumenta:

 –  y ∆ son positivos

 – La energía se transfiere hacia dentro del sistema

• Si la temperatura disminuye:

 –  y ∆ son negativos

 – La energía se transfiere hacia afuera del sistema.

A Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 21/25

Calor específico y temperatura

• Realmente, el calor específico varía con latemperatura

•

La ecuación correcta es: =  

 

• Para intervalos de temperatura cortos el calorespecífico puede tratarse como constante.

 – Para el agua varía 1% entre 0o a 100oC y estapequeña variación no se puede considerar.

 A. Tuesta V .

A Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 22/25

Calorimetría

Técnica para medir el calor específico que consiste encalentar una muestra de material e introducirlo en

agua, midiendo la temperatura de equilibrio del

sistema.

 – El calorímetro es el dispositivo donde ocurre la

transferencia de energía.

 A. Tuesta V .

A Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 23/25

El sistema muestra - agua deben estar aislados.

La ley de la conservación de la energía exige que lacantidad de energía que entrega la muestra caliente es

igual a la cantidad de energía que entra al agua fría.

  = − 

Calorimetría

 A. Tuesta V .

A. Tuesta V

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 24/25

• Considerando que el calor que entrega la muestra = ∆   y el calor que gana el aguaí = ∆, resulta que:

 =     −

   −  

La masa del calorímetro también se debe incluir, pero si la masadel agua es mucho mayor, se puede despreciar. En medicionesprecisas se debe obtener un masa equivalente en agua delcalorímetro.

Calorimetría

 A. Tuesta V .

A. Tuesta V.

7/24/2019 FII_s_38_Civil

http://slidepdf.com/reader/full/fiis38civil 25/25

25

Referencias

SERWAY RAYMOND, JEWETT JOHN W. Física para la Ciencias e Ingeniería. Volumen I. 7a Edición.

México. Thomson. 2009. LIBRO TEXTO

TIPLER PAUL, MOSCA GENE. Física para la ciencia y la tecnología. VOLUMEN 1.

Mecánica/Oscilaciones y ondas/Termodinámica. Sexta Edición. Barcelona. Reverte. 2010

 A. Tuesta V.