CALOR Y TEMPERATURA 2A parte

INSTITUCIN EDUCATIVA DEPARTAMENTAL RURAL DE MEDIALUNA

GUA DE FSICA: CALOR Y TEMPERATURA (TERMODINMICA)

PROFESOR: ROGER PINZN

ALUMNO: ___________________________________

TEMPERATURA

En la vida diaria usamos muy a menudo dos palabras cuyo significado suele confundirse: calor y temperatura. Aunque estrechamente ligados, son dos conceptos diferentes.

Para explicar esta diferencia hagamos la siguiente comparacin: Si en un recipiente echamos agua, esta alcanzar un cierto nivel. Si se echa ms agua, el nivel sube, pero nadie confundir la cantidad de agua con el nivel del agua.

Una diferencia semejante hay entre cantidad de calor y temperatura o nivel calrico. Al calentar agua en un recipiente, se le entrega una cierta cantidad de calor, y la temperatura o nivel del calor, sube, como sube el nivel del agua cuando se echa ms en el recipiente. Ms todava, dos cuerpos pueden tener la misma temperatura y distintas cantidades de calor. Tal como sucede en dos recipientes en los que el agua alcanza el mismo nivel, pero en uno hay ms agua que en el otro. Si hacemos hervir el agua en ambos recipientes, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100C, pero el que tiene ms agua tiene mayor cantidad de calor, ya que fue necesario suministrarle ms calor para poder su temperatura a 100C.

Una situacin semejante es la siguiente: La llama de un fsforo no alcanza a fundir completamente un trocito de hielo , a pesar de que la temperatura de la llama alcanza unos 700C; en cambio, en un recipiente con agua a unos 50C, el trocito de hielo de funde rpidamente. La llama del fsforo tiene alta temperatura pero poca cantidad de calor. El agua contenida en el recipiente tiene baja temperatura, pero ms cantidad de calor.

En resumen: La cantidad de calor de un cuerpo depende de su masa, y la temperatura de un cuerpo depende de la energa cintica promedio de las molculas, es decir, de la suma de la energa interna de todas las molculas que forman el cuerpo.

EQUILIBRIO TRMICO:

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos A y B a temperaturas diferentes (TA y TB, con TA ( TB), el cuerpo ms caliente cede calor al ms fro hasta que ambos quedan a una misma temperatura intermedia de las que ambos tenan al principio. Se ha alcanzado el equilibrio trmico. Adems se cumple otro principio bsico: la cantidad de calor absorbida por un cuerpo es igual a la cedida por el otro.

La calorimetra nos permite medir la temperatura de equilibrio de dos cuerpos en contacto, la cantidad de calor intercambiada, etc. Para realizar estas medidas se utilizan unos aparatos llamados calormetros. Son unos recipientes aislados del exterior donde se introducen las dos sustancias, tienen un termmetro y un agitador para mezclar las sustancias.

Matemticamente: si tenemos un cuerpo de masa m1, calor especifico c1 a una temperatura t1 y lo ponemos en contacto con un cuerpo de masa m2, con un calor especifico c2,, que se encuentra a una temperatura t2, inferior a t1, ambos alcanzaran el equilibrio a una temperatura t

El valor del cuerpo calor cedido por el cuerpo:

Q1 = c1 . m1( t1 -. t )El calor absorbido por el Segundo:

Q2 = c2. m2 (t t2) .

Como el calor absorbido es igual al cedido nos quedara la expresin:

C1 . m1 (t1 - t) = c2 . m2 (t t2 ).

MEDIDA DE LA TEMPERATURA

El tacto es poco fiable y preciso para medir la temperatura, por lo tenemos que buscar otro tipo de sistemas de medida mas objetivo.

Todos los aparatos destinados a medir la temperatura de los cuerpos se denominan termmetros.

El funcionamiento de un termmetro consiste en aprovechar las variaciones de las propiedades fsicas que tienen lugar en algunas sustancias con la temperatura.

Son propiedades de este tipo la longitud o el volumen de un liquido, el calor del filamento de una lmpara o la resistencia elctrica de una sustancia.

los termmetros mas conocidos son los que utilizan la dilatacin que sufren los lquidos con el calor, como el mercurio o el alcohol coloreado, llamados lquidos termometritos. Estos deben tener la propiedad de alcanzar rpidamente el equilibrio trmico con los cuerpos cuya temperatura queremos medir. Estos termmetros estn constituidos por un dispositivo de vidrio que contiene el liquido termometrico unido a un tubo muy estrecho, llamado capilar por el que asciende el liquido al aumentar el volumen por el efecto de un aumento de temperatura o desciende si la temperatura disminuye.

ESCALA DE TEMPERATURA

Para poder expresar numricamente la temperatura de un cuerpo, los termmetro van provistos de una graduacin. La graduacin de un termmetro se efecta tomando dos puntos fijos que corresponden a las temperaturas alas que tienen lugar dos fenmenos calorficos bien conocidos: la fusin del hielo y la ebullicin del agua, a cuyas temperaturas se asignan unos valores numricos arbitrarios.

El intervalo de temperatura existente entre ellos se divide en un cierto numero de partes que se denominan grados:

LA ESCALA CELSIUS: o centgrada asignan el valor cero al punto de fusin y el 100 al punto de ebullicin del agua. Divide este intervalo en 100 partes cada parte en un grado centgrado (oC)

En esta escala el punto e fisin del agua es 32 oC, y el de fusin 100 oC

ESCALA FAHRENHEIT. Utilizada en los pases anglosajones, asigna el valor 32 al punto de fusin y 212 al punto de ebullicin del agua. El intervalo se divide en 180 partes (oF)

En esta escala el punto de fusin del agua es 32oF , y el de ebullicin 212oF.

LA ESCALA ABSOLUTA KELVIN. Utilizada en notacin cientfica asigna los valores 273 y 373 a los puntos fijos y divide este intervalo en 100 partes. La unidad de temperatura en esta escala se llama kelvin (K), y es la unidad en el sistema internacional. a la temperatura de 0 K que equivale a 273 oC se le llama cero absoluto, por ningn cuerpo puede alcanzar una temperatura mas baja que esta.

Si se tiene una temperatura expresada en unas escala determinada si se desea expresar en otra se ase uso de la siguiente formula:

En esta escala el punto de fusion del agua es 273,15oK y el de ebullicin es 373,15oK

DILATACIN TRMICA

Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta el movimiento de sus molculas por lo que estas necesitan mas espacio para moverse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatacin trmica.

No todos los cuerpos se dilatan por igual. Los slidos se dilatan menos que los lquidos, y estos menos que los gases. Este fenmeno tiene importantes consecuencias en la naturaleza y da a lugar a numerosas aplicaciones.

Si observamos el efecto que produce un slido que tenga forma de barra o de cable, podremos ver que lo que mas aumenta es su longitud, ya que el aumento de grosor es despreciable. Por esta razn en el caso de slidos alargados se dice que tiene dilatacin lineal, esto es , a lo largo de su longitud conviene medir la dilatacin lineal con precisin debido a las importante repercusiones que tiene en la construccin de edificio vas de ferrocarril, cables de tendido elctrico etc. La experiencia demuestra que el aumento de longitud de una barra es directamente proporcional al aumento de temperatura y a su longitud, y que depende del material del que este hecho la barra. para calcular la longitud de la dilatacin lineal que se ha producido, se utiliza la ecuacin siguiente.L = l0 [1+(t2 t1)]

Donde l es la longitud final, les la longitud inicial, t2 es la temperatura final, t1 la inicial y es el coeficiente de dilatacin lineal, que es diferente para cada sustancia.

TABLA DE COEFICIENTE DE DILATACIN. LINEAL (C-1)

PLOMO3,1. 10-5

ALUMINIO2,2.10-5

HIERRO1,2.10-5

CINC3.10-5

COBRE 1,710-5

PLATINO9.10-6

ACERO10.10-6

VIDRIO BLANDO8.10-6

VIDRIO PIREX4.10-6

VIDRIO DE CUARZO1.10-6

DILATACIN LINEAL: la variacin de longitud ((L) que sufre una varilla depende linealmente de la longitud original de la varilla. (Lo) y de la temperatura a la cual se somete.

luego

Al ser directamente proporcional a Lo.t se puede afirmar que estn ligadas a un cociente constante = , donde es la constante de proporcionalidad y recibe el nombre coeficiente de dilatacin lineal.

=

(L = (L0(t

L L0 = (L0(t

L = L0 + (L0(t

L = L0(1 + ((t)

Donde (t = tf - ti

La variacin en la longitud ( L ) del cuerpo es proporcional a la longitud del cuerpo. La variacin en la longitud es proporcional a la variacin de la temperatura.

CALOR

Consideremos dos sistemas Ay B ,inicialmente a diferente temperatura, tal que TA( TB .Al estar los dos sistemas en contacto por medio de una pared conductora del calor y esperar cierto tiempo, vemos como el sistema adquiere una temperatura final de equilibrio.El nuevo sistema se encuentra en equilibrio trmico.

El sistema A se enfra cedindole calor al sistema B, que aumento su temperatura.

UNIDADES DE CALOR

El calor es una nueva forma de energa que debera medirse en julios y ergios. Sin embarg se tomo un gramo de H 2 O (1 c m 3 ) a cierta temperatura suministro calor y se verific que la temperatura hubiese aumentado en un grado Celsius. A esta cantidad de calor se le llamo calora.

Sin embargo, este calor suministrado depende de la temperatura inicial del agua, ya que no se suministra el mismo calor para elevar la temperatura del agua de 0 o C a 1 o C o para elevarlo de 10 o C a 11 o C. Por lo tanto:

Calora: Cantidad de calor que se suministra a 1 g de agua, inicialmente a la temperatura de 14.5 o C, para elevar su temperatura hasta 15.5 o C.

Kilocalora: cantidad de calor que se suministra a 1 k g de agua, inicialmente a la de 14.5, para elevar la temperatura hasta 15.5 o C.

Un mltiplo de la calora es la kilocalora que se define:

1 kilocalora =1000 caloras.

Si a dos mezclas diferentes de la misma sustancia se les suministra igual cantidad de calor, las variaciones de temperatura son diferentes.

CAPACIDAD CALRICA

A iguales cantidades de calor hacen variar de distinta forma la temperatura de iguales masas de agua y mercurio, de donde el agua y el mercurio tienen distintas capacidades para el calor Este termino se define as.

C =

Donde C = capacidad calrica

Q = calor suministrado

Capacidad calrica es la cantidad de calor suministrado al cuerpo para aumentar su temperatura un grado (por la escala elegida)

CALOR ESPECIFICO

Calor especifico de una sustancia es la cantidad de calor que se debe suministrar a la unidad de masa para elevar la temperatura en un grado.

C =

EMBED Equation.3 Donde:

C =calor especifico

Q =calor suministrado

M =masa de la sustancia

=variacin en la temperatura

El calor especifico resulta de dividir la capacidad acalrica entre la masa.

Si dos sustancias de masa iguales se les suministra igual cantidad de calor, el incremento de la temperatura es diferente.

CALOR LATENTE

Cuando se calienta un recipiente lleno de agua, la temperatura incrementa solo hasta que se inicia el cambio de estado, pasando de liquido a vapor. A partir de este momento, el cuerpo absorbe grandes cantidades de calor sin variar la temperatura, hasta que la totalidad del agua se transforma en calor.

Fsicamente se explica la teora molecular sobre calor:

Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta por causa del calor suministrado, se produce un aumento de la energa cintica de las molculas; cuando el cuerpo cambia de fase, las molculas que por causa de las atracciones mutuas se mantenan originalmente en contacto, se alejan unas de las otras.

Si se simboliza el calor latente por L, tenemos:

Q =M LEQUIVALENCIA ENTRE TRABAJO Y CALOR

La termodinmica es la parte de la fsica que estudia la relacin entre calor y trabajo.

4,186 julios =1 calora; o a la inversa: 1 julios = 0,24 cal

Sabemos que cuando dos cuerpo estn a diferente temperatura, se establece un flujo de calor del cuerpo mas caliente hacia el cuerpo ms fro

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Al realizar un trabajo sobre el sistema sobre dos cuerpos que perdan energa potencial, las paletas que giraban hacan variar la temperatura del agua hacindola pasar de un estado inicial a un estado final. En la prctica se hubiera podido cambiar la forma de realizar el trabajo y producir la misma variacin en la temperatura del agua, siempre y cuando el sistema est aislado trmicamente del ambiente, es decir, que no halla transmisin del calor entre el sistema y el ambiente. Este tipo de procesos se denomina Adiabtico.

Definimos una variable de estado llamada energa interna del sistema como la energa cintica de traslacin, rotacin o vibracin que pueden poseer tomos o molculas, adems de la energa potencial de interaccin entre estas partculas. Por lo tanto, vemos que en un proceso adiabtico el trabajo realizado sobre el sistema es igual a la variacin de la energa interna del sistema.

Uf Ui = T

Donde U es la Energa interna y T el trabajo realizado.

Si el sistema no est adiabticamente asilado del ambiente, el trabajo realizado sobre el sistema depende del proceso que se siga, ya que este puede absorber o ceder calos al ambiente. Si medimos el calor absorbido por el sistema resulta que la suma de este calor ms el trabajo realizado sobre ste es igual a la variacin de la energa interna del sistema:

Q + (- T) = (U

El calor es positivo si es absorbido por el sistema y negativo si el sistema lo cede al ambiente. El trabajo es positivo si lo realiza el sistema y negativo si se realiza sobre el sistema.

La ecuacin anterior que no es ms que otra forma de expresar la ley de conservacin de la energa simboliza la Primera Ley de la Termodinmica:

El calor absorbido por un sistema e igual al trabajo realizado por el sistema ms el aumento de la energa interna.

Q = T + (U

Consideremos como sistema un gas encerrado en un cilindro provisto de un mbolo que se puede desplazar dependiendo de la presin que el gas ejerza sobre l.

Al suministrarle calor al sistema las molculas del gas se agitan con mayor energa cintica. Esta a su vez provoca un incremento en la presin sobre el mbolo que se desplaza cierta distancia x. El sistema realiza un trabajo sobre el pistn que es igual a:

T = f.x, donde f = PA, luego

T = PAx y el producto Ax es el volumen desplazado por el gas.

T = P.V

En un grfico de presin contra volumen el trabajo realizado por el sistema est representado por el rea bajo la curva.

Si durante la dilatacin la presin permanece constante entonces:

T= P(Vf - Vi)

Si al dilatarse el gas la presin disminuye, el rea bajo la curva representa el trabajo realizado.

Algunos procesos que se aplican frecuentemente en la investigacin cientfica y en la tcnica son:

Proceso isobrico: Es el que se realiza a presin constante.

Q = P(Vf - Vi) + (U

Proceso Isocoro o Isovolumtrico: Es el que se realiza a volumen constante. En el proceso isocoro no se realiza trabajo, el rea bajo la curva es cero.

Q = (U

Proceso Isotrmico: Es el que se realiza a temperatura constante. La variacin de la energa interna es nula.

Q = T

Proceso Adiabtico: Es el que se realiza sin que haya intercambio de calor entre el sistema y el ambiente. El sistema no absorbe ni sede calor.

0 = T + (V

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA

La termodinmica se desarroll como consecuencia del trabajo de ingenieros y trabajadores que buscaron una mayor eficacia de la mquina de vapor.

Una mquina trmica funciona absorbiendo una cantidad de calor Qc de una fuente que est a alta temperatura Tc (el subndice c significa caliente) realiza un trabajo T y devuelve una cantidad de calor Qf a una fuente que fra que est a la temperatura Tf. El sistema termodinmico regresa a su estado original completando de esta forma un ciclo. Durante el ciclo, la mquina absorbe calor, realiza un trabajo y sede calor y su fin consiste en repartir cclicamente este proceso donde el trabajo realizado por la mquina es la suma de los trabajos realizados en cada ciclo.

Durante un ciclo el estado inicial de la mquina son los mismos. La energa interna final es igual a la energa interna inicial y de acuerdo con la primera ley de la termodinmica, tenemos:

Q = T + 0

Donde Q es el calor neto consumido por la mquina, o sea, Q = Qc QfT = Qc QfSe define el rendimiento o eficiencia de una mquina al cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido.

En la prctica, el calor Qc es producido por la combustin de gasolina, carbn o cualquier otro combustible. Por consiguiente, se trata de disear la mquina que tenga la mayor eficiencia posible. Para obtener rendimiento del 100%, el calor cedido Qf debera ser cero, pero esto es completamente imposible. Esta ltima situacin es conocida como el enunciado de Kelvin Planck y se llama Segunda Ley de la Termodinmica.

Es imposible que una mquina que trabaje cclicamente, extraiga calor de un foco y produzca cantidad equivalente de trabajo sin producir otro efecto.

Una mquina trmica que trabaje tomando calor de un foco a la temperatura Tc y cediendo calor a un foco de temperatura Tf, no puede tener una eficiencia mayor a una mquina que trabaje con los mismos focos y su ciclo est compuesto de dos procesos isotrmicos y dos adiabticos.

En una mquina de Carnot la eficiencia es igual al cociente entre la diferencia de las temperaturas absolutas Tc Tf y la temperatura del foco caliente Tc.

E =

De donde se obtiene que para una mquina de Carnot se cumple que:

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