Calor y primer principio de la TermodinmicaTemperatura y equilibrio trmico:principio cero de la TermodinmicaMedida de temperaturas y escalas termomtricasCalorMedida del calor y calor especficoPropagacin del calor: conductividad trmicaCalor y trabajoPrimer principio de la termodinmica

IntroduccinUn cubito de hielo sobre una mesaEquilibrio mecnico F = 0

Funde al cabo de un tiempoProceso inexplicable en el contexto de la mecnica.Es necesario introducir nuevos conceptos (Temperatura, transformacin de calor, etc.) y desarrollar nuevas teoras (mtodos de trabajo): Termodinmica, Mecnica Estadstica.

Supongamos una cantidad pequea de gas (vgr. 5 gr.)Muchsimas molculas 1023No es razonable hacer uso de las ecuaciones. de Newton y de la dinmica de los sistemas de partculas.Mtodos Mecnica estadstica : conectar valores promedios con diferentes magnitudes (T., presin, etc.)Termodinmica "Descripcin macroscpica de la interaccin de un sistema con sus alrededores"Su interpretacin en trminos de promedios ayude a entender lo que ocurre.Magnitudes macroscpicas utilizadas: Temperatura, nmero de moles, Energa Interna, Entropa, presin, volumen, todas son variables de estado (p, n, V, T, U y S)

Temperatura y Equilibrio Trmico: Principio cero de la Termodinmica.

Variables de estado son constantes en todo el sistema"Se dice que un sistema est en equilibrio mientras permanezca constante la variable de estado en el tiempo

Pared adiabtica:evita interacciones (polistireno)

Pared diatrmica: facilita la intercomunicacin (Cu)El concepto de temperatura est relacionado con el movimiento aleatorio de las molculas de un sistema. Un aumento de la energa interna promedio implica un aumento de temperatura."Dos sistemas en equilibrio trmico tienen igual T ".Si al poner en contacto dos sistemas, sus variables cambian no estn en equilibrio; cuando se estabiliza, habrn alcanzado el equilibrio trmico y tendrn igual T. Fundamento para la medida de temperaturasDos sistemas estarn en equilibrio trmico si al ponerlos en contacto a travs de una pared diatrmica, sus variables de estado no cambian".

Principio cero de la termodinmica "Dos sistemas que estn en equilibrio trmico con un tercero estn, a su vez, en equilibrio trmico entre si".

Medida de Temperatura y escalas termomtricas

Descripcin subjetiva: Sin significado consistenteCalienteFroMedida: Termmetro dispositivo capaz de conectar el valor de una de sus variables con la Temperatura.T. de mercurio (longitud)Termopar (Potencial elctrico)Resistencia de Platino. (Resistencia)Termmetro de gas a volumen constante.

Se mide la presin en los dos casos

Hay que fijar una referencia: punto triple( coincide en equilibrio las tres fases del agua)

T3= 273,16 K (igual tamao 1K = 1C)

Medida de Temperatura y escalas termomtricasCuando p tiende a cero, tambin lo hace T (cero absoluto de temperaturas).Gases se lican, no se pueden medir T

Medida de Temperatura y escalas termomtricas

Centgrados o Celsiustc = T - 273,16 KRankineTm =(2/5)T igual cero que la escala Kelvingrado inferiorFahrenheittF = (2/5) tc + 32Figual tamao que la escala Rankine distinto cero que RankineT crece ~ 0.4 C ~ ltimos 100 aosT crece ~ 0.25 C ~ 25 aosNivel mar aumenta ~ 1 mm por ao

Medida de Temperatura y escalas termomtricas: Dilatacin trmica

Dilatacin anmala del agua

mxima a 4C volumen mnimoAl aumentar T aumenta la longitud de una varillaDL=aL0DTa es el coeficiente de dilatacin lineal (1/K)Es independiente de L0, pero depende de T

Coeficiente de dilatacin en volumenV=V0T

Como una ampliacin fotogrfica

Explicacin microscpica

CALORComo se aumenta la temperatura de un sistema?En contacto con otro de temperatura superior

Calor es la energa transferida entre un sistema y su entorno, debida nicamente a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y alguna parte de su entorno Existen otras formas de transmisin de energa

Diferentes mecanismos de transmisin del calorConduccinConveccin Radiacin

Calor, trmino utilizado para designar la energa que se transfiere

No se puede hablar de calor de un sistema

MEDIDA DEL CALOR Y CALOR ESPECFICOAl adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase)

La cantidad de energa necesaria para elevar la T de un sistema Q = C DT = m c DT donde C es la capacidad trmica o calorfica y m la masa del sistema

Capacidad calorfica cantidad de energa necesaria para aumentar un grado la temperatura de una substancia

c = C/m; c calor especfico o capacidad trmica por unidad de masaPuede depender de la temperatura (el del agua aproximadamente 1% de 0-100C)

Calora: cantidad de energa trmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius (de 14,5 a 15,5C)Unidad de energa 1cal=4.184 JBtu (British thermal unit) = 252 cal

Capacidad trmica molarCm=M c (M masa molar o masa por mol)C=n Cm ( capacidad calorfica de n moles)

El calor especfico del agua es grandeExcelente capacidad de almacenaje de energa trmicaExcelente refrigerante (capaz de absorber mucho calor)

MEDIDA DEL CALOR Y CALOR ESPECFICOCalormetro: aparato para medida del calor ( agua; Qsale=Qentra)

Parte de la energa trmica utilizada en calentar una substancia puede invertirse en el proceso de dilatacin (realiza trabajo contra su entorno)cv calor especfico a volumen constante (sin dilatacin)cp calor especfico a presin constantecp >cv en slidos y lquidos hay poca diferencia en gases muy grandeCambios de fase: Absorcin de calor sin cambio de Tfusin vaporizacinsublimacin (bolas antipolillas)otros (formas cristalinas)

La energa se invierte en variar la Energa Potencial del sistemaEn substancias puras el cambio se da a temperaturas determinadasQ = m Lf, v (cantidad de calor precisa para fundir o vaporizar una masa m)Lf calor latente de fusinLv calor latente de vaporizacin

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICACmo se transmite el calor?Conduccin: Interaccin molecular sin transporte de materiaConveccin: Transporte directo de masa (movimiento masas de aire calientesRadiacin: Emisin y absorcin radiacin electromagntica

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICACorriente trmica o flujo de energa trmica I : Velocidad o ritmo de conduccin de la energa trmica (wat= joules/s)

k coeficiente de conductividad trmica (wat/m K)Como la resistencia elctricaRt= R1+R2+... (en serie)1/Rt=1/R1+1/R2+.....(en paralelo) Calor que sale de una habitacin, techo, paredes, ventanas , etc.Conduccin En la construccin se utiliza el factor R (Rf= Dx/k) =RAEl Aire buen aislante, R pequea, pero atencin a la conveccin

vapor

hielo

Barra conductora

Q

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Condutividades trmicas: (kcal/s)/ (oC m)ConveccinAparece en fluidos cuya densidad vara con la TSe puede forzar con ventiladoresAire es buen aislante (capas finas pegadas al vidrio), si hay grandes volmenes pierde esta capacidadPequeos volmenes (plumn, styrofoam) Complicado de tratar matemticamente

Alumnio4,9 10-2Cobre9,2 10-2Acero1,1 10-2Aire5,7 10-6Hielo4 10-4Madera2 10-5Vidrio2 10-4Amianto2 10-5

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICARadiacinOndas electromagnticasLey de Stefan-Boltzmann da la potencia radiada en watt I = e AT4e emisividad trmica (entre 0 y 1), A rea, s constante de Stefan = 5.6703 x 10-8 W/m2 K4Radiacin absorbida depende del cuerpo (claros reflejan mucha, obscuros absorben mucha), y de la temperatura del entorno T0Ia = e AT04Ineto = e A(T4-T40)Cuerpo negro: e=1, absorbe toda la radiacin que incide sobre lRadiador ideal

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICARadiacinA temperaturas ordinarias (

CALOR Y TRABAJOOtras formas de transferencia de energa distintas del calorTrabajo es la energa transferida entre uno sistema y su entorno por mtodos que no dependen de la diferencia de temperatura entre ambosMediante diferentes fuerzas, elctricas, magnticas, mecnicas...Fuerza por desplazamiento, ligado al movimiento de una parte del sistemaPositivo si hay transferencia de energa del sistema al entornoConsideraremos procesos muy lentos, cuasistticosPara poder trabajar en condiciones de equilibrio y con las variables de estado mboloSi dV>0 dW>0W =fip dV Las variables de estado P y V indican estados particulares de un gasEstn relacionadas con T por la ecuacin de estado.El trabajo se puede evaluar grficamente calculando el rea bajo la curvaPara presiones bajas, o gases ideales, la relacin viene dada porpV = nRTR (8.31 J mol-1K-1) es la constante universal de los gasesVeremos diferentes tipos de procesosdW = Fx dx = p A dx = p dV

CALOR Y TRABAJOProcesos adiabticos Q = cte.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICADos tipos de transferencia de energa (convenio de signos en el esquema)calortrabajoLa energa total transferida al sistema desde el exterior ser Q -WLa eleccin del sistema condicionar el tipo de energa transferida. Resulta muy importante una definicin adecuada del sistema. Calentador elctrico de aguaSistema: agua + resistencia ==> trabajoSistema: agua ==> calorEl calor y el trabajo realizados al pasar de un estado inicial a otro final dependen de los detalles del proceso

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICASin embargo la energa total transferida a un sistema solo depende de los estados inicial y final del proceso.Qa -Wa = Qb -Wb = Qc -WcPrimera ley de la Termodinmica: En todo proceso en que se cede un calor Q al sistema y este realiza un trabajo W, la energa total transferida a dicho sistema es igual al cambio en su energa internaQ -W = Uf -Ui = DUConsecuencias de la primera leyConservacin de la energa: la energa total transferida es igual a la variacin de la energa interna La energa interna solo depende de los estados inicial y finalLa energa interna es una variable de estado (cada punto del diagrama pV se caracteriza por un valor determinado), al contrario que el calor y el trabajo

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICAAplicacionesProceso isocricoDU = Q - W = Q - 0 = QEl calor cedido es igual al cambio en la energa internaProceso adiabtico (dQ = 0)DU = Q - W = 0 - W = -WAislando el sistema mediante una pared adiabticaProcesos muy rpidos (dQ despreciable)Proceso isobricoDU = Q - WAmbos tipos de transferencia de energaExpansin libreparedes adiabticasQ = 0Sin movimiento (W = 0)Uf - Ui = Q - W= 0 - 0= 0 ==> los estados inicial y final tienen la misma energa interna U(Ti,Vi)=U(Tf,Vf), y como experimentalmente se comprueba que tienen igual temperatura La energa interna de un gas ideal depende solo de la temperatura U(T)

Proceso cclico ( i = f )DU = 0 = Q - W ==> Q = WLa energa interna permanece constanteEl trabajo realizado por el sistema en un ciclo es igual al calor neto cedido al sistemaAplicacionesProceso isotrmico (T=cte)Cambio de fase se puede ceder calor pero la T no cambia Proceso estrangulamientoImportancia prctica, ciclos de refrigeracinPaso de un fluido de una zona de alta presin a otra de baja (vlvula o pared porosa) U + p dV = H (cte (entalpa))PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

El hielo flota y eso impide la congelacinCubito de hieloA "black body" is a theoretical perfect absorber, which absorbs radiation of all wavelengths falling on it. It reflects no light at normal temperatures and thus appears black. However, like ideal gas in kinetic theory, it is a theoretical model and we may find in reality only "Almost perfect black bodies".hot filament and the spectra it emits. As the temperature rises form (a) to (c), the corresponding emission curves shift, as shown in the figure above. The peaks of the curves move toward the yellow, and the blue end of the spectrum increases in intensity as well. The result is that the color of the filament shifts from cherry red to white hot