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LA
TRATA DE:
• CALOR (ENERGÍA TÉRMICA)
• TEMPERATURA
• DILATACIÓN
• COMPORTAMIENTO DE GASES (TRATAMIENTO MACROSCÓPICO)
• VARIABLES DE ESTADO – PRESIÓN, TEMPERATURA Y DENSIDAD.
• EL GAS IDEAL
LA TEMPERATURA ESTÁ ASOCIADA CON UNA FORMA DE ENERGÍA, LA
ENERGÍA TÉRMICA (O CALOR).
SI DOS OBJETOS CON TEMPERATURAS DIFERENTES SE PONEN EN
CONTACTO (CONTACTO TÉRMICO), SE INTERCAMBIA ENERGÍA TÉRMICA
ENTRE ELLOS.
LLEGARÁN A UN EQUILIBRIO (EQUILIBRIO TÉRMICO) CUANDO DEJEN DE
TENER UN INTERCAMBIO DE ENERGÍA ENTRE ELLOS – CUANDO ESTÉN A LA
MISMA TEMPERATURA.
DOS OBJETOS EN EQUILIBRIO TÉRMICO ESTÁN A LA MISMA TEMPERATURA.
LA ENERGÍA TÉRMICA ESTÁ RELACIONADA A LA ENERGÍA CINÉTICA QUE
TIENEN LOS ÁTOMOS O MOLÉCULAS DE LA MATERIA.
SI LOS OBJETOS A Y B SE ENCUENTRAN POR SEPARADO EN EQUILIBRIO
TÉRMICO CON UN OBJETO C, ENTONCES LOS OBJETOS A Y B ESTÁN EN
EQUILIBRIO TÉRMICO ENTRE SI.
AC
B
𝑻𝑨 = 𝑻𝒄
𝑻𝑩 = 𝑻𝒄𝑻𝑨 = 𝑻𝑩
Termómetros
Basados en alguna propiedad física de un sistema
que cambia con la temperatura:
Volumen de un líquido
Longitud de un sólido
Presión de un gas a volumen constante
Volumen de un gas a presión constante
Resistencia eléctrica de un conductor
Color de un objeto
TERMÓMETRO A VOLUMEN CONSTANTE
Válvula
Volumen
constante de
un gas. (Aire,
por ejemplo)
Presión
absoluta
La búsqueda para un
cero verdadero de
temperatura se puede
hacer con un termómetro
a volumen constante.
Para volumen
constante:
T = kP
La presión varía con la temperatura.
ESCALAS DE TEMPERATURACelsius
La escala de temperatura Celsius se define por:
Punto de congelación de agua: 0 𝑜𝐶
Punto de ebullición de agua: 100 𝑜𝐶
Fahrenheit
Quería abolir las temperaturas negativa:
Mezcla de hielo, agua y cloruro de amonio: 0 °𝐹
Punto de congelación de agua: 32 𝑜𝐹
Temperatura de cuerpo humano: 96 °𝐹
°𝑪 = (°𝐅 − 𝟑𝟐)/𝟏, 𝟖
CERO ABSOLUTO DE TEMPERATURA
1000C00C
P1 P2
T1 T2
-2730C 00C 1000C
P
T
Grafique los puntos (P1,
00C) y (P2, 1000C); luego
extrapole a cero.
Cero absoluto = -2730C
Cero
absoluto
TEMPERATURA ABSOLUTA: KELVIN
Gas 1
Gas 2
Gas 3
Presión vs Temperatura
COMPARACIÓN DE CUATRO ESCALAS
1 C0 = 1 K
5 C0 = 9 F
095
32F Ct t
059
32C Ft t
TK = tC + 2730
hielo
vapor
Cero
absoluto
1000C
00C
-2730C
Celsius
CFahrenheit
320F
-4600F
2120F
F
273 K
373 K
Kelvin
0 K
KRankine
0 R
460 R
672 R
R
ESCALAS DE TEMPERATURACELSIUS
LA ESCALA DE TEMPERATURA CELSIUS SE DEFINE POR:
PUNTO DE CONGELACIÓN DE AGUA: 0 𝑜𝐶
PUNTO DE EBULLICIÓN DE AGUA: 100 𝑜𝐶
FAHRENHEIT
QUERÍA ABOLIR LAS TEMPERATURAS NEGATIVA:
MEZCLA DE HIELO, AGUA Y CLORURO DE AMONIO: 0 °𝐹
PUNTO DE CONGELACIÓN DE AGUA: 32 𝑜𝐹
TEMPERATURA DE CUERPO HUMANO: 96 °𝐹
KELVIN
ESTA ES LA UNIDAD DE TEMPERATURA EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE
UNIDADES.
𝑻𝑲 = 𝑻𝑪 + 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓
𝟎 °𝑪 = 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 𝑲 𝟎 𝑲 = −𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 °𝑪
EXPANSIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS
SE ENCUENTRA EXPERIMENTALMENTE QUE (EN GENERAL) AL AUMENTAR LA TEMPERATURA DE UN CUERPO, EL CUERPO SE EXPANDE (EN TODAS DIRECCIONES).
¿POR QUÉ?
EXPANSIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS
SE ENCUENTRA EXPERIMENTALMENTE QUE (EN GENERAL) AL AUMENTAR LA TEMPERATURA DE UN CUERPO, EL CUERPO SE EXPANDE (EN TODAS DIRECCIONES).
¿POR QUÉ?
EN UN SÓLIDO A TEMPERATURAS NORMALES, LOS ÁTOMOS ESTÁN SEPARADOS POR ~10−10 𝑚 Y VIBRAN EN TORNO A SUS POSICIONES DE EQUILIBRIO CON UNA AMPLITUD DE ~10−11 𝑚.
A MEDIDA QUE LA TEMPERATURA DEL SÓLIDO AUMENTA, LOS ÁTOMOS VIBRAN CON MAYOR AMPLITUD Y LA SEPARACIÓN ENTRE ELLOS AUMENTA. EL SÓLIDO ENCONJUNTO SE EXPANDE.
Modelo de la configuración atómica en una sustancia.
Los átomos (esferas) se suponen unidos entre sí por
resortes que reflejan la naturaleza elástica de las
fuerzas interatómicas.
Al aumentar la temperatura, aumentan las
vibraciones de los átomos.
Se puede visualizar la expansión térmica como una ampliación fotográfica:
Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos
El agujero se agranda en una sola pieza.
SUPONEMOS QUE UN OBJETO TIENE UNA LONGITUD INICIAL 𝑳𝟎 EN DETERMINADA DIRECCIÓN A CIERTA TEMPERATURA. SI SE AUMENTA LA
TEMPERATURA POR ∆𝑻, LA LONGITUD AUMENTA POR
Coeficiente de expansión lineal
FIS109C – 2: Física para Ciencias 1er semestre 2014
Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos
∆𝑳 = 𝜶 𝑳𝟎 ∆𝑻
Aluminio: 𝜶𝑨𝒍 = 𝟐, 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟓 [𝟏/°𝑪]
Cobre: 𝜶𝑪𝒖 = 𝟏, 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟓 [𝟏/°𝑪]
Acero: 𝜶𝑨𝒄𝒆𝒓𝒐 = 𝟏, 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟓 [𝟏/°𝑪]
Gasolina: 𝜶𝑮𝒂𝒔𝒐𝒍𝒊𝒏𝒂 = 𝟗, 𝟔 × 𝟏𝟎−𝟒 [𝟏/°𝑪]
Aire: 𝜶𝑨𝒊𝒓𝒆 = 𝟑, 𝟔𝟕 × 𝟏𝟎−𝟑 [𝟏/°𝑪]
OBVIAMENTE, CUANDO AUMENTAMOS LA TEMPERATURA DE UN OBJETO Y ÉSTE SE
EXPANDE, TAMBIÉN SU ÁREA 𝑨 Y VOLUMEN 𝑽 CAMBIAN.
CONSIDERAMOS UNA PLACA CUADRADA DE METAL, SI LA LONGITUD DE CADA LADO
CAMBIA, EL ÁREA ESTÁ DADA POR:
Por un procedimiento similar se encuentra el coeficiente de expansión de volumen 𝜷:
Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos
𝑨 = (𝑳𝟎 + ∆𝑳)𝟐= 𝑳𝟎𝟐 + 𝟐𝑳𝟎∆𝑳 + ∆𝑳𝟐
𝟎: ∆𝑳 es muy
pequeño
= 𝑨𝟎 + 𝟐𝜶𝑨𝟎∆𝑻
∆𝑨 = 𝜸𝑨𝟎∆𝑻 con 𝜸 = 𝟐𝜶
∆𝑽 = 𝜷𝑽𝟎∆𝑻 con 𝜷 = 𝟑𝜶
Coeficiente de expansión de área
EJERCICIO
UNA VÍA DE FERROCARRIL DE ACERO TIENE UNA LONGITUD DE 30.000 𝑚 CUANDO LA TEMPERATURA ES DE 0 𝑜𝐶. ¿CUÁL ES SU LONGITUD EN UN DÍA CALUROSO CON 𝑇 = 40 𝑜𝐶?
Acero: 𝜶𝑨𝒄𝒆𝒓𝒐 = 𝟏, 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟓 [𝟏/°𝑪]
CALOR
EL CALOR (O LA ENERGÍA TÉRMICA) SE DEFINE COMO LA ENERGÍA QUE SE
TRANSFIERE ENTRE UN SISTEMA Y SU ENTORNO DEBIDO A UNA
DIFERENCIA DE TEMPERATURA.
A NIVEL MICROSCÓPICO, EL CALOR ESTÁ RELACIONADO A LA ENERGÍA
CINÉTICA QUE TIENEN LOS ÁTOMOS O MOLÉCULAS DE LA MATERIA.
PARA ELEVAR LA TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA HAY QUE AUMENTAR
LA ENERGÍA TÉRMICA DEL MISMO, ENTONCES HAY QUE SUMINISTRAR
ENERGÍA. LA CANTIDAD DE ENERGÍA NECESARIA VA A DEPENDER DE LA
SUSTANCIA.
POR EJEMPLO, SE NECESITAN 4186J PARA AUMENTAR LA TEMPERATURA DE
1KG DE AGUA 1OC, PERO SÓLO 3875J PARA HACER LO MISMO CON 1KG
DE COBRE.
EL CALOR ESPECÍFICO (𝒄)
LA ENERGÍA 𝑸 NECESARIA PARA AUMENTAR LA TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA ES
PROPORCIONAL A LA MASA DE LA SUSTANCIA Y A LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA.
LA CONSTANTE DE PROPORCIONALIDAD SE LLAMA CALOR ESPECÍFICO 𝒄:
EL CALOR ESPECÍFICO (EN EL SISTEMA SI) ES EL NÚMERO DE JOULES NECESARIO PARA
AUMENTAR LA TEMPERATURA DE 1 𝑘𝑔 DE LA SUSTANCIA EN 1 𝑜𝐶.
ENTONCES, LAS UNIDADES SON 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)O 𝐽/(𝑘𝑔 𝑜𝐶)
EL CALOR ESPECÍFICO ES UNA PROPIEDAD DE LA SUSTANCIA:
AGUA 4184 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾) ALUMINIO900 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)
HIELO 2100 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾) COBRE 387 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)
𝑸 = 𝒄𝒎 ∆𝑻
CUANDO DISTINTAS PARTES DE UN SISTEMA AISLADO SE ENCUENTRA A
DIFERENTES TEMPERATURAS, EL CALOR PASA DE LA PARTE QUE ESTÁ A
MAYOR TEMPERATURA A LAS PARTES MÁS FRÍAS.
SI EL SISTEMA ESTÁ AISLADO (LA ENERGÍA NO PUEDE FLUIR HACIA
ADENTRO NI HACIA AFUERA DE ÉL) ENTONCES DE ACUERDO CON LA
CONSERVACIÓN DE ENERGÍA, EL CALOR PERDIDO POR UNA DE LAS
PARTES DEL SISTEMA DEBE SER IGUAL AL CALOR GANADO POR LA OTRA:
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑮𝒂𝒏𝒂𝒅𝒐 + 𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐 = 𝟎
NOTAR QUE CUANDO UNO CALCULA EL CALOR PERDIDO, ∆𝑻 ES
NEGATIVO PORQUE 𝑻𝒇 < 𝑻𝒊.
EJERCICIO CALORIMETRÍA
UN LINGOTE METÁLICO DE 0,050 𝑘𝑔 SE CALIENTA A 200 𝑜𝐶 Y DESPUÉS SE
DEJA CAER EN UN VASO QUE CONTIENE 0,4 𝑘𝑔 DE AGUA CUYA
TEMPERATURA ES 20 𝑜𝐶. SI LA TEMPERATURA FINAL ES 22,4 𝑜𝐶, DETERMINE
EL CALOR ESPECÍFICO DEL METAL.
(SE PUEDE SUPONER QUE NO HAY PÉRDIDA DE ENERGÍA TÉRMICA Y QUE LA
ENERGÍA NECESARIA PARA CALENTAR EL VASO ES DESPRECIABLE)Agua c = 4184 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)
CALORÍA
CANTIDAD DE CALOR NECESARIA PARA QUE 1 G DE AGUA SUBA SU
TEMPERATURA EN 1 ºC (ESPECÍFICAMENTE DE 15.5 ºC A 16.5 ºC)
Similarmente…
1 Btu: cantidad de calor necesaria para que una libra de agua suba
su temperatura en 1 ºF (específicamente de 63 ºF a 64 ºF)
Calor específico del agua 𝑐𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1 𝑐𝑎𝑙/ 𝑔 º𝐶 = 1 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏 º𝐹
EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Experimento de Joule (1843)
EL CALOR LATENTE Y CAMBIOS DE FASE
NORMALMENTE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PRODUCE UN CAMBIO DE
TEMPERATURA, PERO NO SIEMPRE.
LA OTRA POSIBILIDAD ES QUE EN VEZ DE CAMBIAR LA TEMPERATURA, LA
SUSTANCIA SUFRA UNA ALTERACIÓN DE UNA FORMA A OTRA: CAMBIO DE
FASE.
POR EJEMPLO, DE SÓLIDO A LÍQUIDO, O LÍQUIDO A GAS.
EL CALOR NECESARIO PARA CAMBIAR LA FASE DE UNA MASA M DE UNA
SUSTANCIA ES:
CALOR LATENTE DE FUSIÓN, 𝑳𝒇CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN, 𝑳𝒗
𝑳 TIENE UNIDADES DE 𝐽/𝑘𝑔 O DE 𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔
𝑸 = 𝒎 𝑳
CAMBIO DE FASE
• SÓLIDO → LÍQUIDO : FUSIÓN
• LÍQUIDO → GAS : EBULLICIÓN
• GAS → LÍQUIDO : CONDENSACIÓN
• LÍQUIDO → SÓLIDO : SOLIDIFICACIÓN
• SÓLIDO → GAS : SUBLIMACIÓN
Los cambios de fase ocurren a Temperatura Constante.
Ej: mientras un cubo de hielo se va derritiendo, el conjunto agua+hielo no
cambia su temperatura.
CALOR LATENTE
𝑄 = ± 𝐿 𝑚
+ : Absorbe calor
- : Cede calor
EJERCICIO
¿CUÁNTO CALOR SE NECESITA PARA CAMBIAR UN GRAMO DE HIELO A – 30 𝑜𝐶 EN
VAPOR DE AGUA A 120 𝑜𝐶?
𝑫𝒂𝒕𝒐𝒔𝒄𝒉𝒊𝒆𝒍𝒐 = 𝟐𝟎𝟗𝟎 𝑱/𝒐𝑪 𝒌𝒈𝑳𝒇 = 𝟑, 𝟑𝟑 × 𝟏𝟎𝟓 𝑱/𝒌𝒈
𝒄𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟒, 𝟏𝟗 × 𝟏𝟎𝟑 𝑱/𝒐𝑪 𝒌𝒈𝑳𝒗 = 𝟐, 𝟐𝟔 × 𝟏𝟎𝟔 𝑱/𝒌𝒈
𝐜𝒗𝒂 = 𝟐, 𝟎𝟏 × 𝟏𝟎𝟑 𝑱/𝒐𝑪 𝒌𝒈
𝑸 = 𝒎 𝑳
𝑸 = 𝒄𝒎 ∆𝑻
EJERCICIO: CALORIMETRÍA
UN TROZO DE HIELO DE 0,5 𝑘𝑔 A −10 𝑜𝐶 SE COLOCA EN 3 𝑘𝑔 DE AGUA A
20 𝑜𝐶. ¿A QUÉ TEMPERATURA Y EN QUÉ FASE QUEDARÁ LA MEZCLA FINAL?
