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Capítulo 16. Temperatura y dilatación Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007.

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2 Capítulo 16. Temperatura y dilatación Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007

3 LA TEMPERATURA es una medida de la energía cinética promedio por molécula. La radiación infrarroja proveniente del canal de aire en el oído pasa a través del sistema óptico del termómetro y se convierte en una señal eléctrica que produce una lectura digital de la temperatura corporal. Fotografía de Blake Tippens

4 Objetivos: Después de terminar esta unidad, deberá: Trabajar con escalas de temperatura Celsius, Kelvin y Fahrenheit tanto para temperaturas específicas como para intervalos de temperatura. Escribir y aplicar fórmulas para dilatación lineal, de área y de volumen.

5 Energía térmica La energía térmica es la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial molecular. Energía térmica = U + K U = ½kx 2 K = ½mv 2 Energía interna: las analogías de resorte son útiles:

6 Temperatura La temperatura se relaciona con la actividad cinética de las moléculas, mientras que la dilatación y los cambios de fase de las sustancias se relacionan más con la energía potencial. Aunque no es cierto en todos los casos, un buen principio es definir la temperatura como la energía cinética promedio por molécula.

7 Temperatura contra energía interna Las jarras grande y pequeña tienen la misma temperatura, pero no tienen la misma energía térmica. Una mayor cantidad de agua caliente funde más hielo. El volumen más grande tiene mayor energía térmica Misma temperatura inicial agua hielo

8 Equilibrio de temperatura El calor se define como la transferencia de energía térmica debido a una diferencia en temperatura. Carbones calientes Agua fríaMisma temperatura Equilibrio térmico Contenedor aislado Dos objetos están en equilibrio térmico si y sólo si están a la misma temperatura.

9 Termómetro Un termómetro es cualquier dispositivo que, mediante escalas marcadas, puede dar una indicación de su propia temperatura. T = kX X es propiedad termométrica: dilatación, resistencia eléctrica, longitud de onda de luz, etc.

10 Ley cero de la termodinámica Ley cero de la termodinámica:Si dos objetos A y B están en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico mutuo. Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos A y B están en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico mutuo. A Objeto C A B Equilibrio térmico Misma temperatura B Objeto C

11 100 0 C212 0 F 00C00C32 0 F Escalas de temperatura El punto fijo inferior es el punto de congelación, la temperatura a la que el hielo y el agua coexisten a 1 atm de presión: 0 0 C o 32 0 F El punto fijo superior es el punto ebullición, la temperatura a la que vapor y agua coexisten a 1 atm de presión: C o F

12 Comparación de intervalos de temperatura F 32 0 F 180 F C 00C00C 100 C 0 tCtC tFtF Intervalos de temperatura: 100 C 0 = 180 F 0 5 C 0 = 9 F 0 Si la temperatura cambia de 79 0 F a 70 0 F, significa una disminución de 5 C 0.

13 Etiquetas de temperatura Si un objeto tiene una temperatura específica, se coloca el símbolo de grado 0 antesde la escala ( 0 C o 0 F). Si un objeto tiene una temperatura específica, se coloca el símbolo de grado 0 antes de la escala ( 0 C o 0 F). t = 60 0 C Se dice: La temperatura es sesenta grados Celsius.

14 Etiquetas de temperatura (Cont.) Si un objeto experimenta un cambio de temperatura, se coloca el símbolo de grado 0 despuésde la escala (C 0 o F 0 ) para indicar el intervalo de temperatura. Si un objeto experimenta un cambio de temperatura, se coloca el símbolo de grado 0 después de la escala (C 0 o F 0 ) para indicar el intervalo de temperatura. Se dice: La temperatura disminuyó cuarenta grados Celsius. t = 60 0 C – 20 0 C t = 40 C 0 t i = 60 0 C t f = 20 0 C

15 Temperaturas específicas F 32 0 F C 00C00C 180 F C 0 tCtC tFtF Mismas temperaturas tienen números diferentes: 0 C 0 F

16 Ejemplo 1: Un plato de comida se enfría de F a 65 0 F. ¿Cuál fue la temperatura inicial en grados Celsius? ¿Cuál es el cambio en temperatura en grados Celsius? Convierta F a 0 C de la fórmula: t C = C 9 F 0 = 5 C 0 t = 52.8 C 0

17 Limitaciones de las escalas relativas El problema más serio con las escalas Celsius y Fahrenheit es la existencia de temperaturas negativas. Claramente, ¡la energía cinética promedio por molécula NO es cero o en 0 0 C o en 0 0 F! ¿-25 0 C? T = kX = ¿0?

18 Termómetro a volumen constante Válvula Volumen constante de un gas. (Aire, por ejemplo) Presión absoluta La búsqueda para un cero verdadero de temperatura se puede hacer con un termómetro a volumen constante. Para volumen constante: T = kP Para volumen constante: T = kP La presión varía con la temperatura.

19 Cero absoluto de temperatura C00C00C P1P1 P2P2 T1T1 T2T C 00C00C100 0 C P T Grafique los puntos (P 1, 0 0 C) y (P 2, C); luego extrapole a cero. Cero absoluto = C Cero absoluto

20 Comparación de cuatro escalas 1 C 0 = 1 K 5 C 0 = 9 F T K = t C hielo vapor Cero absoluto C 00C00C C Celsius C Fahrenheit 32 0 F F F F 273 K 373 K Kelvin 0 K0 K K Rankine 0 R0 R 460 R 672 R R

21 Dilatación lineal L LoLo L toto t Cobre: = 1.7 x /C 0 Aluminio: = 2.4 x /C 0 Hierro: = 1.2 x /C 0 Concreto: = 0.9 x /C 0

22 Ejemplo 2: Una tubería de cobre mide 90 m de largo a 20 0 C. ¿Cuál es nueva longitud cuando a través de la tubería pasa vapor a C? L o = 90 m, t 0 = 20 0 C t = C C = 80 C 0 L = L o t = (1.7 x /C 0 )(90 m)(80 C 0 ) L = mL = L o + L L = 90 m m L = m

23 Aplicaciones de la dilatación Junta de dilatación Tira bimetálica Latón Hierro Las juntas de dilatación son necesarias para permitir que el concreto se dilate, y las tiras bimetálicas se pueden usar como termostatos o para abrir y cerrar circuitos.

24 Dilatación de área La dilatación de área es análoga a la ampliación de una fotografía. El ejemplo muestra una tuerca caliente que se encoge para un firme ajuste después de enfriarse. Dilatación al calentarse. A0A0 A

25 Cálculo de dilatación de área W L L LoLo WoWo W A 0 = L 0 W 0 A = LW L = L 0 + L 0 t W = W 0 + W 0 t L = L 0 (1 + t ) W = W 0 (1 + t A = LW = L 0 W 0 (1 + t) 2 A = A 0 (1 + 2 t) Dilatación de área: A = 2 t

26 Dilatación de volumen La dilatación es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto: V = V 0 t La constante es el coeficiente de dilatación de volumen.

27 Ejemplo 3. Un vaso de precipitados Pyrex de 200 cm 3 se llena hasta el tope con glicerina. Luego el sistema se caliente de 20 0 C a 80 0 C. ¿Cuánta glicerina se desborda del contenedor? V desb = ¿? V0V0 V 20 0 C 80 0 C 200 cm 3 Glicerina: 5.1 x /C 0 Pyrex: = x /C 0 ) = 0.9 x /C 0 V desb = V G - V P V desb = G V 0 t - P V 0 t = ( G - P )V 0 t V desb = (5.1 x /C x /C 0 )(200 cm 3 )(80 0 C C)

28 Ejemplo 3. (continuación) V desb = ¿? V0V0 V 20 0 C 80 0 C 200 cm 3 Glicerina: 5.1 x /C 0 Pyrex: = x /C 0 ) = 0.9 x /C 0 V desb = V G - V P V desb = G V 0 t - P V 0 t = ( G - P )V 0 t V desb = (5.1 x /C x /C 0 )(200 cm 3 )(80 0 C C) Desbordamiento de volumen = 6.01 cm 3

29 Resumen La energía térmica es la energía interna de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial molecular. Energía térmica = U + K Ley cero de la termodinámica:Si dos objetos A y B están en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces lo objetos A y B están en equilibrio térmico uno con otro. Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos A y B están en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces lo objetos A y B están en equilibrio térmico uno con otro. AB Equilibrio térmico A Objeto C B

30 Resumen de escalas de temperatura 1 C 0 = 1 K 5 C 0 = 9 F T K = t C hielo vapor Cero absoluto C 00C00C C Celsius C Fahrenheit 32 0 F F F F 273 K 373 K Kelvin 0 K0 K K Rankine 0 R0 R 460 R 672 R R

31 Resumen: dilatación L LoLo L toto t Dilatación lineal: A = 2 t Dilatación de área: Dilatación A0A0 A

32 Dilatación de volumen La dilatación es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto: V = V 0 t La constante es el coeficiente de dilatación de volumen.

33 CONCLUSIÓN: Capítulo 16 Temperatura y dilatación


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