CURSO DE FISICA PARA EL ICFES
UNIDAD 2 TERMODINAMICA
CONTENIDOS
PRESENTACION EL CALOR CALOR ESPECIFICO CALOR LATENTE ECUACION DEL CALOR ESCALAS DE TEMPERATURA CALORIMETRIA LEYES DE LA TERMODINAMICA LOS GASES IDEALES
PRESENTACION
RESULTADO DE APRENDIZAJE Aplicar los conceptos del movimiento de termodinámica para resolver problemas mediante la identificación, argumentación y proposición
CONOCIMOIENTOS DE CONCEPTO Calor, calor específico, calor latente, ecuación del calor, escalas de temperatura, leyes de la termodinámica, gases ideales.
CONOCIMIENTOS DE PROCESO Desarrollar las competencias interpretativa, argumentativa y propositiva en la asignatura de Física.
CRITERIOS DE EVALUACION Aplica los conceptos de termodinámica para resolver problemas mediante la identificación, argumentación y proposición
Termodinámica Conceptos generales El problema fundamental de esta disciplina es predecir el estado de equilibrio termodinámico de un sistema después de levantar una ligadura interna. En términos menos complejos puede afirmarse que su objeto tiene que ver principalmente con las relaciones entre la energía interna, la temperatura, el volumen, la presión y el número de partículas de un sistema. El calor: es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura (Ver figura). Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados entre sí.
Escalas de temperatura y conversión entre escalas: Para medir la temperatura existen varias escalas, entre ellas tenemos las siguientes:
1. Escala Centígrada 2. Escala Fahrenheit 3. Escala Kelvin Las siguientes gráficas indican los punto de fusión y de ebullición del agua para las anteriores escalas de temperatura.
Las siguientes son las ecuaciones que utilizamos para transformar grados de una escala a otra:
Ejemplos El punto de ebullición del tungsteno es 5900 ºC. Expresa esta temperatura en grados kelvin y Fahrenheit. S/ Paso los grados centígrados a kelvin
T
1º K tc ºC
273.15 º K
1º K 5900 º C ºC
273.15 º K
T = 6 173.15 ºK
Paso los grados centígrados a Fahrenheit tf
9ºF tc 5 ºC
32 º F
9ºF 5900 º C 5 ºC
32 º F
tf = 10 652 ºF
CALOR ESPECÍFICO Es la cantidad de calor que se debe aplicar a un gramo de masa de una sustancia para elevar su temperatura en un grado centígrado de temperatura. ECUACION DEL CALOR Para calcular el calor que un cuerpo entrega a otro cuerpo se tiene la siguiente fórmula:
Q = m.c.(T – To)
Donde m es la masa del cuerpo que recibe calor c es el calor específico del cuerpo que recibe calor T es la temperatura final del cuerpo que recibe calor To es la temperatura inicial del cuerpo que recibe calor. Ejemplos Un vidrio de 120 g aumentó su temperatura en 0.8 ºC. ¿Qué cantidad de calor absorbió del ambiente? S/ En este caso T – To = 0.8 oC, entonces aplicando la fórmula tenemos:
Q
cm t
0.199
cal 120 g 0.8 º C gº C
Q = 19.10 cal
Termodinámica Termodinámica: (en griego termo significa “calor” y dinámico significa “fuerza”). Se define como la rama de la física que estudia las relaciones de la energía y sus transferencias pero, sobre todo, en la que interviene el calor y el trabajo mecánico. Por ejemplo: cuando conducimos un automóvil, se utiliza el calor de combustión del combustible para realizar un trabajo mecánico en los pistones de los cilindros para, impulsar el vehículo. CONCEPTOS Sistema termodinámico: Es cualquier conjunto de objetos que conviene considerar como unidad y que podría intercambiar energía con su entorno. Proceso Termodinámico: Se presenta cuando la intervención del calor produce un cambio en el estado de un sistema termodinámico. Es decir, cambios en su temperatura, volumen y presión dados. Energía Interna (U): Se define como la suma de todas las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, más la suma de todas las energías potenciales de interacción entre ellas. Máquina Térmica: Se le llama así a cualquier dispositivo que convierte energía calorífica a energía mecánica o viceversa.
LEYES DE LA TERMODINÁMICA LEY CERO. Se basa en el equilibrio térmico y se enuncia como sigue: “Si dos sistemas A y B están por separados en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces los Sistemas A y B están en equilibrio térmico entre si” PRIMERA LEY. “En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo efectuado por el sistema y el cambio en la energía interna del sistema”.
Se toma un calor (Q) positivo cuando se le agrega calor al sistema y negativo cuando el flujo de calor sale del sistema hacia su entorno; y un trabajo (W ) es
positivo cuando el sistema realiza trabajo sobre su entorno y negativo si se realiza trabajo sobre el sistema. a) Cuando un proceso, tarde o temprano, vuelve a su estado inicial el proceso
es cíclico, es decir, el estado final es igual al inicial, entonces ΔU = 0. Por lo tanto:
Q =W.
b) Para cualquier sistema aislado: no se realiza trabajo sobre su entorno ni hay intercambio de calor, es decir: W = Q = 0, por lo tanto: DU = 0. (La energía interna de un sistema aislado es constante). c) Proceso Adiabático: Ocurre cuando en el sistema no entra ni sale calor, es decir, Q = 0, entonces: ΔU = −W. SEGUNDA LEY. 1. “El calor no fluirá espontáneamente de un cuerpo mas frio a otro más caliente”. 2. “Ninguna maquina térmica que opere en un ciclo puede absorber energía de un deposito y realizar una cantidad igual de trabajo”. TERCERA LEY “No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos”. LOS GASES IDEALES Presión, Volumen y Temperatura. Las moléculas de los gases se mueven continuamente debido a la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, con más velocidad se moverán las moléculas. Pero la temperatura no se mide en la escala normal de temperaturas, la escala Celsius o Centígrada, sino en una escala especial llamada escala Kelvin o escala absoluta. A -273ºC las moléculas estarían quietas. Por eso no puede haber una temperatura más baja. En la escala Kelvin, 0 K equivale a -273ºC. Y no pueden existir temperaturas inferiores, así que no pueden existir temperaturas negativas. Para pasar de una escala a otra basta sumar o restar 273. Así, 100ºC serán 100 + 273
= 373K y 500K serán 500 - 273 = 227ºC. Es en esta escala de temperatura en la que deberemos medir siempre la temperatura de un gas. Las moléculas de gas ocupan un volumen y en él se mueven y desplazan. Aunque en el Sistema Internacional el volumen se mida en m3 (metros cúbicos), cuando se trata de gases el volumen que ocupa se mide en litros (l). Pero no hay que olvidar que 1 litro equivale a 1 dm3 (decímetro cúbico), es decir, que 1000 l son 1 m3. Como las moléculas de gas se están moviendo, chocarán con el recipiente que las contiene (y entre sí, claro). Al chocar, ejercerán una presión, una con otra. Presión Es la magnitud física, resultado de dividir la fuerza por la superficie. En el sistema Internacional se mide es pascales (Pa), pero cuando se estudian los gases se suele emplear la atmósfera (atm), que es la presión que ejerce la atmósfera a nivel del mar (en la playa, vamos) y que equivale a 101300 Pa. Equivale a aplicar una fuerza de un Newton en una superficie de un metro cuadrado. Ecuaciones de los gases ideales 1. La presión P, el volumen V y la temperatura T de un gas se relacionan mediante la siguiente relación llamada Ecuación de Estado de los gases.
P. V = N. R .T Donde R es un número real llamado constante de los gases y tiene un valor de 8.3 Julios/mol.ok
2. Cuando
un gas cambia su presión, volumen y temperatura de un estado
inicial a un estado final. Estas variables se relacionan por la siguiente ecuación
Po.Vo/ To = P.V/ T
Bibliografía Conocimientos básicos generales de física. Recuperado el 15 de abril de 2012, de: http://www.caurium.com/clientes/rite2008/mod_001/unid_003a_000.html Cuadernillo Instituto Colombiano para la Evaluación de la Educación, Orientaciones para el examen de Estado de educación media ICFES SABER 11º. Recuperado el 15 de abril
de
2012,
de:
http://www.icfes.gov.co/index.php?option=com_content&task=view&id=419&Itemid =992 Temas selectos de física II. Recuperado el 15 de abril de 2012, de: http://www.cobachsonora.edu.mx:8086/portalcobach/pdf/modulosaprendizaje/sem estre6-2011/FP6s-TSF2.pdf CREDITOS Tomado de Cuadernillo de apoyo en la preparación de la prueba ICFES Saber 11°