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Física Eléctrica. J.A.Moleón1 Termodinámica Ø Introducción: Calor y Temperatura Ø Primer Principio Ø Segundo Principio Departamento de Física Universidad.

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1 Física Eléctrica. J.A.Moleón1 Termodinámica Ø Introducción: Calor y Temperatura Ø Primer Principio Ø Segundo Principio Departamento de Física Universidad de Jaén

2 Física Eléctrica. J.A.Moleón 2 1- Introducción 4 TERMODINÁMICA es la ciencia que estudia, interpreta y explica las interacciones energéticas que se establecen entre distintos sistemas. Iniciada por Carnot (s. XIX). 4 Antes, Watt (s.XVIII) construyó la primera máquina de vapor. 4 Los Sistema Termodinámico: partes del Universo Termodinámico separados del resto por paredes. Tipos de Paredes: DiatérmanaAdiabática DeformableRígida ImpermeablePermeable

3 Física Eléctrica. J.A.Moleón 3 1- Introducción 4 Para analizar los sistemas los caracterizaremos mediante Variables Termodinámicas que describen su Estado (interno) 4 Tipos de Variables:Macroscópicas Termodinámica 4 Microscópicas Mecánica Estadística 4 Dentro de la Macroscópicas: 4 Extensivas: 4 Intensivas: m, V, n P, T, ρ

4 Física Eléctrica. J.A.Moleón 4 1- Introducción 4 ¿Sabemos diferenciar los conceptos de CALOR y TEMPERATURA?: 4 Ejemplo) Filamento 1500 ºC 4 Radiador < 100 ºC 4 El calor es una forma de energía mientras que la temperatura es el nivel al que se almacena dicha energía. Poco calor Mucho calor 4 ¿En qué sentido se transfiere el calor entre dos sistemas?

5 Física Eléctrica. J.A.Moleón 5 1- Introducción 4 Tipos de Temómetros: 4 - De líquidos: limitados por su solidificación y ebullición. 4 - De gases: dilatan más que los líquidos son más precisos. 4 - Pirómetros: para medir temperaturas elevadas: De Presión, Resistencia eléctrica, Ópticos. Escala Celsius o Centígrada: 0 ºC 100 ºC Escala Farhenheit: 32 ºC 212 ºC

6 Física Eléctrica. J.A.Moleón 6 2 – Dilatación Térmica 4 Dilatación Térmica: es la variación de volumen que sufren los cuerpos cuando cambia su temperatura. 4 Dilatación Lineal (sólidos): Coef. de dilatación lineal ( º C –1 ). Es el aumento de longitud producido en una barra de longitud unidad cuando se calienta en 1 ºC.

7 Física Eléctrica. J.A.Moleón 7 2 – Dilatación Térmica 4 Dilatación Superficial (sólidos): S Coef. de dilatación superficial ( º C –1 ). 4 Dilatación de Volumen:

8 Física Eléctrica. J.A.Moleón 8 2 – Dilatación Térmica

9 Física Eléctrica. J.A.Moleón 9 2 – Dilatación Térmica

10 Física Eléctrica. J.A.Moleón 10 2 – Dilatación Térmica

11 Física Eléctrica. J.A.Moleón 11 3 – Dilatación de gases 4 Los gases se pueden dilatar de dos formas: 4 A) Presión constante: 4 g Coef. de dilatación de los gases. No depende del gas. 4 B) Volumen constante: 4 Podemos coger cualquier gas y comprimirlo por enfriamiento, ¿hasta cuanto?, ¿podemos llevarlo a volumen nulo?: 4 Si partimos de T 0 = 0 ºC T = -1/ g = ºC

12 Física Eléctrica. J.A.Moleón 12 4 – Ecuación de Estado de los gases 4 Un volumen negativo no tiene sentido 4 No se puede bajar de esta temperatura 4 es un límite inferior, que se denomina Cero Absoluto. 4 Este punto puede ser usado como punto de partida para una nueva escala de temperaturas: Escala Absoluta o Kelvin. 4 Considerando esta escala y partiendo de 0 ºC: 4 A otra temperatura:

13 Física Eléctrica. J.A.Moleón 13 4 – Ecuación de Estado de los gases 4 Haciendo lo mismo con la ecuación de dilatación de la presión: 4 Combinando ambas ecuaciones se obtiene la de Boyle-Mariotte: Leyes de Guy-Lussac 4 Añadiendo la Ley de Avogadro: Para iguales presión y temperatura el volumen es proporcional (k cte. de Boltzman), solo, a la cantidad de moléculas de gas (N), independientemente de su masa. 4 Al igual que el coef. de dilatación 4 era el mismo para todos los gases. ¿Porqué? 4 Y con todas juntas:

14 Física Eléctrica. J.A.Moleón 14 4 – Ecuación de Estado de los gases 4 R Cte. Universal de los gases 4 R = 6.023·10 23 (moleculas/mol) ·1.38· (J/ºK) = 8.31 J/mol ºK 4 Para no usar números tan grandes definimos el número de Avogadro: número de moléculas que hay en una cierta cantidad de gas, un mol: · Y midiendo la cantidad de gas por número de moles (n): 4 Ec. de estado de los gases perfectos o de Clapeyron

15 Física Eléctrica. J.A.Moleón 15 5 – Calorimetría 4 Calor: es la energía transferida de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperaturas. 4 La cantidad de energía térmica Q, necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo es proporcional a la masa y a la variación de temperatura: c Calor Específico C = m c Capacidad calorífica 4 Caloría: es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado.

16 Física Eléctrica. J.A.Moleón 16 5 – Calorimetría 4 Tabla de calores específicos de diferentes sustancias (clima costero) Sustanciac (kJ / kg ºK)c (cal / g ºK) Agua Etanol Aluminio Bismuto Cobre Hielo Mercurio Oro Marmol Vidrio Sal

17 Física Eléctrica. J.A.Moleón 17 5 – Calorimetría 4 Equivalente mecánico del calor (Joule): 1 cal = J

18 Física Eléctrica. J.A.Moleón 18 5 – Calorimetría 4 Cambio de fase: en ellos la materia pasa de un estado a otro, intercambiando calor pero a una temperatura constante, llamada Temperatura de cambio de estado. 4 La Energía intercambiada se denomina Calor Latente de cambio de estado (L). Será el número de calorías necesarias para cambiar de fase un gramo de sustancia: Simulación

19 Física Eléctrica. J.A.Moleón 19 5 – Calorimetría 4 Tabla sobre cambios de estado. Sustancia Punto de Fusión (ºC) Calor de Fusión (kJ / kg) Punto de Fusión (ºC) C. de Vaporización (kJ / kg) Agua Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno Etanol Mercurio Azufre Plomo Plata Oro Cobre

20 Física Eléctrica. J.A.Moleón 20 6 – Interpretación de presión y temperatura 4 Teoría Cinética de los gases 4 Desde este punto de vista se consideran las Moléculas como partículas individuales, con movimiento independiente, continuo, y en completo desorden (Movimiento Browniano). 4 Se toma una velocidad media de todas las moléculas. 4 La única interacción que un gas ejerce sobre las paredes de los recipientes es debida a los choques contra ellas, que suponemos elásticos. La presión será la fuerza por unidad de superficie que estos choques ejercen. 4 Cada molécula, m i y velocidad v 2 = v x 2 + v y 2 + v z 2 4 Suponemos un volumen V, N moléculas y Densidad n = N/V. Simulación

21 Física Eléctrica. J.A.Moleón 21 6 – Interpretación de presión y temperatura 4 Número de moléculas que chocan contra 4 la pared derecha en t: 4 todas las que se muevan a la derecha 4 (la mitad del total) 4 y están a una distancia igual o menor a 4 v x · t ; 4 o sea, en el volumen derecho v x · t ·A. 4 Molec. que chocan = (1/2) n v x t A. 4 En un choque elástico: p = 2 m v x para cada molécula. 4 Y esta variación de la cantidad de movimiento será igual al impulso mecánico: 4 F · t = p · Molec. que chocan

22 Física Eléctrica. J.A.Moleón 22 6 – Interpretación de presión y temperatura 4 Presión = F / A = p · Molec. que chocan / (A t) = 2 N (Ec) media 4 Comparando con: P V = N k T (Ec) media = (1/2) kT 4 La Energía Cinética media asociada con el movimiento en el eje x es (1/2) kT. Habrá que añadir esta cantidad para cada eje. 4 (Ec) media = (3/2) kT = (3/2) n R T 4 Por tanto, la Energía Cinética media de las moléculas es proporcional a la Temperatura absoluta del gas.


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