Electricidad y calor - Universidad de Sonora

Electricidad y calor
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©2007 Departamento de Física
Universidad de Sonora
Temario
A.
Termodinámica
1.
Temperatura y Ley Cero. (3horas)
1.
2.
3.
4.
5.
Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica.
Concepto de temperatura.
Tipos de termómetros.
Escalas de temperatura.
Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y Líquidos.
2. Calor y transferencia de calor. (5horas)
1.
2.
3.
4.
5.
Concepto de calor y su equivalente mecánico.
Capacidad calorífica y calor específico.
Calor en los cambios de temperatura.
Calor en los cambios de fase: calor latente de fusión y evaporación.
Formas de transferencia de calor y sus características: conducción,
convección y radiación
Temario
3. Gases ideales y estados termodinámicos. (3horas)
1.
2.
3.
Concepto y características del gas ideal.
Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Gay-Lussac e hipótesis de
Avogadro.
Ecuación de estado del gas ideal pV=nRT y su aplicación en la
determinación de los diferentes estados termodinámicos y su
representación grafica de presión vs. volumen.
4. Primera Ley de la Termodinámica. (6horas)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Concepto de Trabajo aplicado a gases.
Trabajo hecho por un gas ideal para los procesos: Isocóricos,
isotérmicos, Isobáricos y adiabáticos.
El calor en los procesos termodinámicos.
Concepto de energía interna.
Primera ley y los procesos termodinámicos: Isocórico, Isotérmico,
Isobárico y Adiabático para un gas ideal.
Ejemplos de aplicaciones de la primera ley de la termodinámica.
1
Temario
5. Segunda Ley de la Termodinámica. (6 horas)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Máquinas térmicas y su eficiencia.
Segunda ley de la termodinámica: Enunciados de Kelvin-Planck y
Clausius.
Motores térmicos.
Refrigerador.
Ciclo de Carnot, procesos termodinámicos reversibles e irreversibles.
Entropía y segunda ley de la termodinámica.
Cálculo del cambio de entropía en procesos. Isotérmicos, Isobáricos,
Adiabáticos e Isocóricos.
Temas
1. Temperatura y ley cero.
i.
ii.
iii.
iv.
v.
Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica.
Concepto de temperatura.
Tipos de termómetros.
Escalas de temperatura.
Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y
Líquidos
TERMODINÁMICA
‰Termodinámica en equilibrio
•Termodinámica clásica
•Termodinámica estadística
‰Termodinámica fuera del equilibrio
•Termodinámica cercana al equilibrio
•Termodinámica muy lejos del equilibrio
2
Conceptos fundamentales
Universo
Un
sistema
puede
ser
cualquier
objeto,
masa,
región del espacio, etc.,
seleccionado para estudiarlo
y aislarlo (mentalmente) de
todo lo demás, que pasa a ser
el entorno del sistema.
Sistema
Frontera
Alrededor o entorno
El sistema y su entorno
forman
el
universo.
La
distinción entre sistema y
entorno es arbitraria: el
sistema
es
lo
que
el
observador ha escogido para
estudiar.
El sistema y los alrededores
pueden interaccionar el uno
con el otro, a través de los
limites o frontera del
sistema, las cuales pueden
ser
Universo
Sistema
Frontera
entorno
Permeables
Intercambio de materia
Impermeables
No hay intercambio de materia
•Diatérmicos
•Adiabáticos
Los sistemas
clasificar en:
Intercambio de calor
No hay intercambio de calor
termodinámicos
se
pueden
Un sistema aislado es aquel que no
puede intercambiar materia ni
energía con su entorno.
Un sistema cerrado es
aquel que
sólo puede
intercambiar energía con
su entorno, pero no
materia.
Un sistema abierto es aquel que
puede intercambiar materia y
energía con su entorno.
3
Sistema termodinámico
Una
definición
mas
puntual
de
sistema
termodinámico es “cualquier cantidad de materia o
radiación lo suficientemente grande como para ser
descrito por parámetros macroscópicos, sin
ninguna referencia a sus componentes individuales
(microscópicos)”. (la posición y la velocidad de las
partículas en cada instante)
El estado de un sistema representa la totalidad de
las propiedades macroscópicas asociadas con él.
Cualquier sistema que muestre un conjunto de
variables
identificables
tiene
un
estado
termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.
Se dice que ocurre una transformación en un sistema
si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado
dentro del mismo a lo largo del tiempo.
Si el estado inicial es distinto del estado final, la
transformación es abierta.
Si los estados inicial y
transformación es cerrada.
final
son
iguales,
la
Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la
transformación es infinitesimal.
El interés de la termodinámica se centra en los estados
inicial
y
final
de
las
transformaciones,
independientemente del camino seguido.
Eso es posible gracias a las funciones de estado.
4
Un sistema específico para procesos
termodinámicos
» Un gas en un cilindro con un pistón y
una masa variable encima del pistón.
Está en contacto con una reservorio
térmico que se usa para controlar la
temperatura.
» Se pede variar la presión del gas
cambiando la masa, la presión es
peso dividido por el área.
» Se puede variar el volumen del gas al
permitir que el pistón se mueva.
» El reservorio provee o absorbe calor
del
sistema
y
así
variar
la
temperatura
Equilibrio térmico y temperatura.
Ley cero
Noción cotidiana de la temperatura; Es la
propiedad física de los sistemas que precisa y
cuantifica nuestras nociones de caliente y frío.
Los materiales más calientes tienen mayor
temperatura
Sin embargo …
La temperatura es una propiedad de un objeto que está
relacionada con el hecho de que el objeto esté o no en equilibrio
con otro objeto con el cuál está en contacto.
Si están en equilibrio el estado de los objetos no cambia.
Tendrán el mismo valor de temperatura.
Si no están en equilibrio, no tendrán el mismo valor de
temperatura. Ocurrirá un proceso que hará que baje la
temperatura del más alto y suba la del más bajo para llevarlos a
ambos a la misma temperatura y al equilibrio.
5
Ley Cero de la Termodinámica
Los cuerpos que está
están en contacto,
directamente o a travé
través del aire, alcanzan la
misma temperatura
El equilibrio té
térmico implica:
• la misma temperatura en los
cuerpos (no el mismo calor)
• si dos cuerpos está
están en equilibrio
térmico y uno de ellos alcanza el
equilibrio con un tercero, el
primero
tambié
alcanza
el
también
equilibrio té
térmico con el tercero
Esta no es una deducción
lógica sino un hecho
experimental.
En
consecuencia
es
posible definir una escala
de temperaturas.
El termómetro es el
objeto A que ha sido
calibrado con un objeto y
se usa para medir la
temperatura
de
un
tercer objeto C.
Medición de temperatura
„
Termómetro: material que posea una propiedad
termométrica:
‰
‰
Cambie con la temperatura.
Se puede medir fácilmente.
L100
L
„
Para definir una escala,
hay que definir dos cosas:
‰
‰
El punto cero.
El tamaño de la unidad
L0
6
Escalas de Temperatura
Se usan tres escalas en la práctica y es bueno conocerlas.
„
„
„
La escala Celsius
La escala Fahrenheit
La escala Kelvin
La escala Celsius
‰
0º CÆpunto congelación agua a 1 atm
‰
100º CÆpunto ebullición agua a 1 atm
‰
Si estamos hablando de cambios de temperatura o
diferencias de temperatura, entonces ∆TC = ∆T
La escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit:
-Ambos el tamaño de la unidad y el punto cero son
diferentes a los anteriores.
32º F Æ punto congelación agua a 1 atm.
212º F Æ punto ebullición agua a 1 atm.
- Relación
matemática
entre
temperatura
Fahrenheit y Celsius y temperatura Kelvin.
TF = 1.8 TC + 32
ΔTF = 1.8 ΔTC
„
La escala Kelvin:
‰
‰
‰
El punto cero es la temperatura más baja que existe.
Ese punto tiene un significado físico especial (no hay
movimiento de los átomos). Por eso, esta escala será la
más útil especialmente cuando estemos enunciando las
leyes de la termodinámica.
El tamaño de la unidad lo determina el hecho de que se
define el punto triple de agua como la temperatura
273.15K. Y es igual que el de la escala Celsius
Relación matemática
temperatura Kelvin:
entre
temperatura
Celsius
y
T = Tc + 273.15
7
Relación entre las escalas de Temperatura
De
hacia Fahrenheit
hacia Celsius
hacia Kelvin
ºF
ºF
(ºF - 32)*5/9
(ºF-32)*5/9+273.15
ºC
(ºC * 9/5) + 32
ºC
ºC + 273.15
K
(K-273.15)*9/5+32
K - 273.15
K
Termómetro a volumen constante y escala
Kelvin
Temperaturas típicas en el universo
Nota la escala
logarítmica en las
temperaturas.
8
Expansión Térmica Lineal
La expansión térmica es una consecuencia del cambio
en la separación promedio entre los átomos
constituyentes del cuerpo. La expansión se da en cada
una de las direcciones (o dimensiones)
y es
proporcional al cambio la temperatura.
„
„
Es un fenómeno de gran importancia práctica y también
muchos termómetros comunes trabajan en base a este
fenómeno.
La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad
pero es una buena aproximación para propósitos
prácticos.
ΔL
∝ ΔT
Li
O bien
ΔL = αLi ΔT
L f − Li = αLi (T f − Ti )
La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad
pero es una buena aproximación para propósitos prácticos.
El coeficiente de expansión térmica lineal α, es una propiedad
del material y tiene unidades de grado inverso, y T es la
temperatura. Los subíndices i y f, se refieren a los valores
inicial y final, respectivamente.
Ejemplos de Expansión Térmica Lineal
9
Expansión Térmica Volumétrica
„
El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los
sólidos pero podemos definir un coeficiente de expansión
volumétrica β para líquidos y sólidos; el cual también
tiene unidades de grado inverso, de forma que
ΔV = βVi ΔT
V f − Vi = 3αVi (T f − Ti )
„
Si el material es un sólido hay una relación entre el
coeficiente volumétrico y el coeficiente lineal que puedes
calcular considerando un cubo de material de lado L.
β = 3α
Tabla de coeficientes de expansión térmica
para diferentes materiales.
Inusual expansión térmica del agua
10