TEMA 7. ENERGA, CALOR Y TEMPERATURA

TEMA 7. ENERGA, CALOR Y TEMPERATURA1. LA TEMPERATURATEORA CINTICO-MOLECULAR PERMITE EXPLICAR EL CONCEPTO DE TEMPERATURA A TRAVS DEL MOVIMIENTO DE LAS PARTCULAS QUE CONFORMAN UN CUERPO ESTE MOVIMIENTO SE CONOCE COMO AGITACIN TRMICATEMPERATURA: MAGNITUD FSICA DE UN CUERPO RELACIONADA CON LA VELOCIDAD DE LAS PARTCULAS QUE LO CONSTITUYEN1. LA TEMPERATURARELACIN TEORA CINTICO-MOLECULAR Y MOVIMIENTO TRMICO:LA MATERIA EST FORMADA POR PARTCULAS PARTCULAS EN CONTINUO MOVIMIENTO: MOVIMIENTO TRMICOLA DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES:ES ESTRECHA EN LOS SLIDOS TODAS LAS PARTCULAS VIBRAN CON VELOCIDADES PARECIDASES MAYOR EN LOS LQUIDOSES MUY AMPLIA EN LOS GASES LIBERTAD DE MOVIMIENTO CASI TOTAL1. LA TEMPERATURATERMMETRO: INSTRUMENTO FSICO UTILIZADO PARA MEDIR LA TEMPERATURAFUNCIONAMIENTO BASADO EN QUE LAS PROPIEDADES TERMOMTRICAS VARAN CON LA TEMPERATURATERMMETRO TRADICIONAL: TUBO CAPILAR DE VIDRIO CON MERCURIO EN SU INTERIOR, QUE SE DILATA SI AUMENTA LA TEMPERATURA Y SE CONTRAE SI DISMINUYETERMMETRO DE RESISTENCIA: BASADO EN LA VARIACIN DE LA RESISTENCIA ELCTRICA DE LOS MATERIALES EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA1. LA TEMPERATURAESCALAS DE TEMPERATURA:ESCALA CELSIUS: PUNTOS FIJOS: TEMPERATURA DE FUSIN DEL HIELO Y DE EBULLICIN DEL AGUA A 1 ATMSFERA DE PRESIN.EL INTERVALO ENTRE ESTOS DOS PUNTOS SE DIVIDE EN 100 , LLAMADOS GRADOS CELSIUSESCALA KELVIN O ESCALA ABSOLUTA: OBTENIDA A PARTIR DE LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA MS BAJA POSIBLE QUE PODEMOS OBTENER (-273 C),A LA CUAL ASIGNAMOS EL VALOR DE 0 KT (K) = t (C) + 273,150 K SE CONSIDERA UN LMITE INACCESIBLE EN EL CUAL LAS PARTCULAS DEJARAN DE TENER ENERGA CINTICATEMPERATURA MS BAJA QUE EXISTE DE FORMA NATURAL: 3 K

1. LA TEMPERATURAESCALAS DE TEMPERATURA:ESCALA FARENHEIT: PUNTOS FIJOS: 0 F PARA LA TEMPERATURA MS BAJA QUE PUDO OBTENER EXPERIMENTALMENTE Y 96 F PARA LA TEMPERATURA DEL CUERPO HUMANO.POSTERIORMENTE MEJOR LA ESCALA TOMANDO COMO PUNTOS FIJOS LA TEMPERATURA DE FUSIN DEL HIELO (32 F) Y LA DE EBULLICIN DEL AGUA (212 F) AS, LA ESCALA FARENHEIT Y LA CELSIUS TIENEN LOS MISMOS PUNTOS FIJOSt (F) =180/100 t (C) +32

2. CALOR Y ENERGA TRMICACALOR: Forma de transferencia de energa de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperatura existente entre ambosInterpretacin atmico-molecular de esta transferencia de energa cuando mezclamos agua fra y caliente:Inicialmente:Ecintica molculas agua caliente > Ecintica molculas agua fra (molculas de agua caliente se mueven ms rpido)Tras la mezcla, se producen colisiones de partculas, en las cuales se transfiere velocidad desde las molculas ms rpidas hacia las ms lentasFinalmente se alcanza el equilibrio trmico

2. CALOR Y ENERGA TRMICALA ENERGA SE TRANSFIERE A NIVEL ATMICO-MOLECULAR COMO ENERGA CINTICA

EN CAMBIO, A NIVEL MACROSCPICO DECIMOS QUE SE TRANSFIERE ENERGA TRMICA

LA ENERGA TRMICA SE MIDE EN JULIOS (J), AUNQUE TAMBIN SE UTILIZA LA CALORA (cal)1 cal = 4,18 J2. CALOR Y ENERGA TRMICAEQUILIBRIO TRMICO. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINMICA.CUANDO PONEMOS EN CONTACTO DOS SUSTANCIAS A DIFERENTE TEMPERATURA, SE COMPRUEBA QUE EL SISTEMA EVOLUCIONA HASTA QUE AMBAS ALCANZAN LA MISMA TEMPERATURA (EQUILIBRIO TRMICO)

SE PRODUCE UNA TRANSFERENCIA DE ENERGA EN FORMA DE CALOR DESDE EL CUERPO QUE EST A MAYOR TEMPERATURA HACIA EL CUERPO QUE EST A MENOR TEMPERATURA

2. CALOR Y ENERGA TRMICASI TENEMOS UN SISTEMA FORMADO POR DOS CUERPOS A DIFERENTE TEMPERATURA Y AISLADOS TRMICAMENTE DEL EXTERIOR, SE CUMPLE LA ECUACIN CALORIMTRICA: Q absorbido + Q desprendido = 0

ESTA ECUACIN REPRESENTA EL PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA ENERGA: la energa cedida por un cuerpo es igual a la energa absorbida por el otro cuerpo

Q absorbido cuerpo a menor T = - Q cedido por cuerpo a mayor T

3. CALOR Y TEMPERATURALA ENERGA TRANSFERIDA A/POR UN CUERPO Y LA VARIACIN DE TEMPERATURA QUE EXPERIMENTA EL MISMO TIENEN LA SIGUIENTE RELACIN: Q=mcDt = mc(t final t inicial)Siempre que:Presin = constanteNo existan cambios de estado ni cambios qumicos

Q = energa transferida mediante calor (se mide en J)m = masa de la sustancia (se mide en kg)c = calor especfico de la sustancia (energa necesaria para aumentar 1 K la temperatura de 1 kg de sustancia). Se mide en J/(kgK)Dt = t final t inicial = cambio de temperatura que experimenta el cuerpo

3. CALOR Y TEMPERATURACALORMETRO: Dispositivo que permite medir la transferencia de energa mediante calor y las propiedades trmicas de las sustanciasConsta de un recipiente aislado trmicamente del exterior que contiene una cantidad determinada de agua u otro lquido de calor especfico conocidoDispone de un termmetro y de un agitador para alcanzar rpidamente la temperatura de equilibrioDeterminacin experimental se realiza llevando a cabo el mtodo de mezclas

3. CALOR Y TEMPERATURAMTODO DE MEZCLAS: Consiste en mezclar masas conocidas de dos sustancias a diferente temperatura y medir la temperatura final de mezcla. Para ello, es necesario conocer el calor especfico de una de las sustancias.PASOS:Se introduce en el vaso calorimtrico una masa de agua lquida a temperatura t1 (m1, t1)Se dispone otra masa de una sustancia a temperatura t2, cuyo calor especfico queremos determinar (m2, t2, c2?)Se mezclan en el vaso calorimtrico y se mide la temperatura final alcanzada

3. CALOR Y TEMPERATURASi nuestro calormetro est aislado trmicamente, se cumple que: Q cedido = Q absorbidom aguac agua(t-t1) = -m sustanciac sustancia(t-t2)Siendo la nica incgnita c sustancia

Como un aislamiento trmico perfecto no existe y el propio calormetro tambin intercambia energa con las sustancias que contiene, se define el valor equivalente en agua del calormetro (a), que es la masa de agua que tendra idntico efecto sobre el cambio de temperatura que el calormetro debe determinarse experimentalmente para cada calormetro: (m agua+ a) c agua(t-t1) = -m sustanciac sustancia(t-t2)

4. CALOR Y CAMBIOS FSICOSAl calentar un cuerpo aumenta la agitacin trmica de sus partculas, lo que puede provocar cambios fsicos:DILATACINCAMBIOS DE ESTADO

CAMBIO DE ESTADOEl calor latente de cambio de estado (L) es la cantidad de energa absorbida o desprendida por unidad de masa de sustancia que se produce cuando ocurre un cambio de estado a temperatura constante:QL = m LExisten los calores latentes de:FusinVaporizacin

4. CALOR Y CAMBIOS FSICOSAl calentar un cuerpo aumenta la agitacin trmica de sus partculas, lo que puede provocar cambios fsicos:DILATACINCAMBIOS DE ESTADODILATACINEs la variacin de las dimensiones de un cuerpo debido a la mayor movilidad de las partculas que produce la agitacin trmicaLa dilatacin de un cuerpo se puede considerar en 1, 2 o 3 dimensiones:DILATACIN LINEAL Cuando consideramos slo una variacin de longitud en una de las dimensiones (las otras dos son despreciables).Si un cuerpo de longitud inicial L1 experimenta un cambio de temperatura Dt = t2 t1 L2 = L1(1 + a Dt) donde a = coeficiente de dilatacin lineal, caracterstico de cada sustanciaEjemplo: tubos, hilos,

4. CALOR Y CAMBIOS FSICOSDILATACINEs la variacin de las dimensiones de un cuerpo debido a la mayor movilidad de las partculas que produce la agitacin trmica

DILATACIN SUPERFICIAL Cuando consideramos que la dilatacin lineal ocurre en dos dimensiones:S2 = S1(1 + b Dt) donde b = 2a = coeficiente de dilatacin superficial

DILATACIN CBICA Cuando consideramos que la dilatacin lineal ocurre en las 3 dimensiones:V2 = V1(1 + g Dt) donde g = 3a = coeficiente de dilatacin cbica

5. 1er PPIO. DE LA TERMODINMICAMATERIA: ES TODO AQUELLO QUE TIENE MASA Y OCUPA UN ESPACIOSISTEMA MATERIAL: PORCIN DE MATERIA QUE SE AISLA PARA SU ESTUDIO

TERMODINMICA: PARTE DE LA FSICA QUE ESTUDIA LAS TRANSFERENCIAS DE ENERGA QUE SE PRODUCEN ENTRE UN SISTEMA Y SU ENTORNOSISTEMA ABIERTO: INTERCAMBIA MATERIA Y ENERGA CON EL ENTORNO (ejemplo: vaso de precipitados abierto)SISTEMA CERRADO: INTERCAMBIA ENERGA CON EL ENTORNO, PERO NO MATERIA (ejemplo: vaso de precipitados cerrado)SISTEMA AISLADO: NO INTERCAMBIA MATERIA NI ENERGA (ejemplo: termo)

5. 1er PPIO. DE LA TERMODINMICAENERGA INTERNA (U). ES LA SUMA DE LAS ENERGAS CINTICA Y POTENCIAL DE TODAS LAS PARTCULAS QUE FORMAN UN SISTEMA MATERIALNO SE PUEDE DETERMINAR EL VALOR ABSOLUTO US SE PUEDE DETERMINAR LA VARIACIN QUE EXPERIMENTA UN SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIN FSICA O QUMICA SI CONOCEMOS LA ENERGA INTERCAMBIADA CON EL ENTORNO MEDIANTE CALOR O TRABAJO

TRABAJO DE EXPANSIN Y DE COMPRESIN(W). ES LA TRANSFERENCIA DE ENERGA DEBIDA A LA VARIACIN DE VOLUMEN QUE EXPERIMENTA EL SISTEMA EN UNA TRANSFORMACINEjemplo: gas dentro de un cilindro con un mbolo mvil. La fuerza que ejerce la presin exterior sobre el gas es F = Pext S (S = superficie del mbolo)

5. 1er PPIO. DE LA TERMODINMICATRABAJO DE EXPANSIN Y DE COMPRESIN(W). ES LA TRANSFERENCIA DE ENERGA DEBIDA A LA VARIACIN DE VOLUMEN QUE EXPERIMENTA EL SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIN

W = -PextDV = -Pext(V2-V1) = -PextDV

5. 1er PPIO. DE LA TERMODINMICAVARIACIN DE ENERGA INTERNA DE UN SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIN:DU = U2 U1Principio de conservacin de la energa: La energa no se crea ni se destruye, slo se transforma, por lo que cualquier variacin de energa interna ser consecuencia de un intercambio de energa con el entorno mediante calor o trabajo

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA

DU = U2- U1 = Q + W = Q PextDV

6. 2O PPIO. DE LA TERMODINMICAMQUINA TRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGA TRMICA EN MECNICAEnerga trmica procedente de la combustin de un combustibleFuncionamiento: Tiene dos focos trmicos a distinta temperatura Se transfiere energa desde el foco caliente hacia el foco fro, pero el sistema puede aprovechar parte de esa energa como trabajo mecnico (W)Existe una parte de energa que se emplea en calentar al foco fro, por lo que la transformacin de energa trmica en mecnica NUNCA es del 100 %

6. 2O PPIO. DE LA TERMODINMICAMQUINA TRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGA TRMICA EN MECNICAEl ingeniero francs Carnot dedujo que era imposible convertir toda la energa trmica en mecnicaLa expresin de esta restriccin se conoce como SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA y se enuncia a partir del rendimiento de una mquina trmica:

El rendimiento depende de la diferencia de temperatura entre los focos: a mayor diferencia, mayor rendimiento

6. 2O PPIO. DE LA TERMODINMICAMQUINA TRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGA TRMICA EN MECNICADEGRADACIN DE LA ENERGA: Se produce porque parte de la energa no se puede aprovechar, por lo que, aunque la energa total se conserva, en cada transferencia se produce una disminucin de energa til a causa del segundo principio de la termodinmica