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Calor y Temperatura

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/estadistica/calor/fusion/fusion.xhtml

Termodinámica La termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico

Escalas de temperatura Celsius Establece los cero grados en el punto de congelación del agua i los cien grados en el punto de ebullición

Fahrenheit Establece los 32 grados en el punto de congelación del agua i los 212 grados en el punto de ebullición

Kelvin o escala absoluta Es la más utilizada en termodinámica. Se basa en que hay un límite para las temperaturas bajas (-273 oC), en cambio no hay límite para las temperaturas altas. El zero absoluto corresponde en la escala centígrada es -273 oC

Las equivalencias son:

T = T + 273 k c

T = f

9 T + 32 c 5

Ley de los gases perfectos Se denomina gas perfecto o ideal, aquel que obedece exactamente las leyes de Boyle, Charles, etc, en cualquier circunstancia. Un gas que se comporta exactamente como describe la teoría cinética; también se le llama gas perfecto.

En realidad no existen gases ideales, pero en ciertas condiciones de temperatura y presión, los gases tienden al comportamiento ideal.

Termodinámica Ley de Boyle-Mariote “A temperatura constante, los volúmenes de una masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soporta”

Ley de Charles y Gay-Lussac “a presión constante, los volúmenes de una masa de gas son directamente proporcionales a las respectivas temperaturas absolutas”

Ley de Avogadro El mol es la unidad con que se mide la cantidad de substancia, Un mol equivale al número de átomos que hay en doce gramos de carbono-12 puro.

Dicha cantidad recibe el nombre de número de Avogadro o constante de Avogadro, en honor al científico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856),

1 mol = 6,022·1023 particulas

“Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas"

Termodinámica

Ley de los gases ideales

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinéti La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es: P = Presión V = Volumen n = Moles de gas R = Constante universal de los gases ideales T = Temperatura en Kelvin.

La constante universal de los gases ideales es una constante física que relaciona entre si diversas funciones de estado termodinámicas, estableciendo esencialmente una relación entre la energía, la temperatura y la cantidad de materia.

Calor específico El calor específico de una sustancia o sistema termodinámico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa del sistema considerado para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius) a partir de una temperatura dada; en general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial (Ce)

Calor latente Calor latente de fusión o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía.

Q=m Lf

Q=m Lv Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente: Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes: 1.

2.

3.

4.

Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K) Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg Calor específico del agua c=4180 J/(kg K) Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg

Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente: Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes: 1.

2.

3.

4.

Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K) Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg Calor específico del agua c=4180 J/(kg K) Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg

Etapas: 1.

Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K) Q1= m·ce·ΔT = 0.001·2090·(373-253)=41.8 J

2.

Se funde el hielo Q2= m·ce·ΔT = 0.001·334·103=334 J

3.

Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K) Q3=m·ce·ΔT = 0.001·4180·(373-273)=418 J

4.

Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura Q4=m·ce·ΔT = 0.001·2260·103=2260 J

El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.

Termodinámica

Primera ley de la termodinámica Es conocida como Ley de la Conservación de la Energia. Afirma que la energía puede ser convertida de una forma a otra, pero no puede ser creada ni destruida.

En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier volumen de control:

∆U = Q – W

donde ∆U es el incremento de energía interna del sistema, Q es el calor cedido al sistema, y W es el trabajo cedido por el sistema a sus alrededores

Exemple

Termodinámica

Procesos termodinámicos En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico De acuerdo con las condiciones de variación de volumen, presión y temperatura, tenemos los siguientes tipos de procesos

Proceso isobárico Es un proceso que se realiza a presión constante. El agua que hierve en un recipiente abierto a la atmósfera es un ejemplo de proceso isobárico Donde: Q = Calor transferido.

U = Energía Interna.

Exemple

P = Presión.

V = Volumen.

Simulacion procesos de un gas ideal

Grafica Volumen vs Presión, en el proceso isobárico la presión es constante. El trabajo (W) es la integral de la presión respecto al volumen

http://www.unizar.es/lfnae/luzon/CDR3/phs/

Termodinámica

Proceso Isocórico Un proceso isocórico , también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso en el cual el volumen permanece constante. Un ejemplo seria la cocción en olla expres.La temperatura y la presión interna se elevan, pero el volumen se mantiene igual

∆W = P ∆V = 0 Proceso Isotérmico Un proceso isotérmico es aquel que transcurre a temperatura constante.

P V = cte El trabajo de expansión es:

V2 WA-B = nRT ln V 1

Termodinámica

Proceso adiabático Cualquier proceso físico en el que magnitudes como la presión o el volumen se modifican sin una transferencia significativa de energía calorífica hacia el entorno o desde éste, es decir es un sistema totalmente aislado.

Un ejemplo corriente es la emisión de aerosol por un pulverizador, acompañada de una disminución de la temperatura del pulverizador. La expansión de los gases consume energía, que procede del calor del líquido del pulverizador. El proceso tiene lugar demasiado rápido como para que el calor perdido sea reemplazado desde el entorno, por lo que la temperatura desciende.

Siempre se cumple que:

PV = K -1 TV =K

Capacidad calorifica a P cte

У = coeficiente adiabático (depende del tipo de gas) gamma

Capacidad calorifica a V cte

El trabajo se determina por:

W1-2 =

p2V2 - p1V1 1-

Termodinámica Exemple

1 atmósfera (atm) = 1,013 x 105 newtons/metro2 (N/m2) 1Pa = 1N/m2

Exercicis

Activitats 9,10,11,12,13,14,15,16 Activitats finals 3,6,7,8 Exercicis 4,5 Exercicis d ’ampliació del Netvibes