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UNIDAD 9

TERMOMETRÍA Y CALORIMETRÍA

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Conceptos introductorios

Equilibrio térmico. Ley cero de la termodinámica

Medición de la temperatura. Escalas

Dilatación

Calor como forma de energía

Cantidad de calor. Calor específico. Calor latente

Transporte del calor

Primera ley de la termodinámica

Hoja de ruta

3Conceptos introductorios

La termodinámica constituye la parte de la física que se refiere a las relaciones entre el calor y el trabajo.Estudia las transformaciones entre distintos tipos de energía y el intercambio de energía entre sistemas

Tipos de energía: potencial, cinética, térmica, química, nuclear, eléctrica, magnética, etc.

Leyes de la termodinámica: Primera Ley: sostiene el principio de conservación de la energía, si un sistema intercambia calor con otro, su propia energía interna cambiará.Segunda Ley: propone restricciones para las transferencias de energía, regula la de dirección en la cual se llevan a cabo los procesos termodinámicos. Se apoya en el concepto de Entropía.Tercera Ley: indica que es imposible alcanzar una temperatura que sea igual a cero absoluto a través de procesos físicos. Motor de triple expansión

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La temperatura de un cuerpo está relacionada con la energía cinética de los átomos y moléculas que lo componen. Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando tienen la misma temperatura.

Ley Cero: si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero entonces están en equilibrio térmico entre sí.En un recinto aislado, dos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico luego de colocarlos en contacto

Fahrenheit Celsius Kelvin

ebullición del agua

congelamiento del agua

Cero absoluto

212° F

32° F

-459° F

100°C

0°C

-273°C

373 K

273 K

0 K

Presión vs temperatura para gases (p=a+bT) (V const.)

Equilibrio térmico. Ley cero de la termodinámica

Medición de la temperatura. Escalas de temperatura.

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Lineal Superficial VolumétricaDilatación

Lo Ao VoA T0

LA V

ΔLA T>T0

Dilatación

ΔL = α L0 ΔT ΔA = 2α A0 ΔT ΔV = 3α V0 ΔT

α es el coeficiente de expansion lineal

Usualmente a β = 3α, se lo denomina coeficiente de expansión volumétrica

6Calor como forma de energía

El calor es una forma de energía. El experimento que se muestra, demuestra el equivalente mecánico del calor

Definición: calor es la energía transferida de un objeto a otro como consecuencia de que tienen diferente temperatura

La unidad de calor es la caloría(cal). 1 cal es la cantidd de calor necesario para elevar en 1ºC la temperatura una masa de agua de 1 g.

4,186 J = 1 cal

La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética de sus moléculas

7Cantidad de calor. Calor específico. Calor latente

El calor ‘suministrado’ a un sistema, de masa m y calor específico c, que eleva su temperatura en ΔT, es:

Q=m c ΔT

Donde c es el calor específico, una característica de cada material.

El calor suministrado a un material puede contribuir a un cambio de fase, durante el mismo la temperatura permanece constante. En este caso, si el calor contribuye al cambio de fase de una masa mentonces se verifica que:

Q =m c’

Donde c’ es el calor latente

8Calor latente

El calor latente puede ser de fusión (paso de sólido a líquido) o de vaporización (paso de líquido a gas)

9Transporte del calor

1. Conducción: se transmite a través de un medio material sin movimiento del mismo. Si Hes la cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo, y κ es la conductividad térmica, entonces:

H = k A(T1-T2)/l

2. Convección: se transmite por movimiento de material. Cumple con la siguiente ecuación:

Ley de Fourier

Ley de Newton

H = h A(T1-T2)

A es el área superficial y huna constante que depende del material

El calor puede transmitirse de un medio a otro de tres modos:

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3. Radiación: el calor se transmite como radiación electromagnética. No necesita de medio material.

H = e σ A T 4

Ley de Stefan-Boltzman

e es la emisividad; 0 ≤ e ≤ 1, e = 1 corresponde al denominado ‘cuerpo negro’. σ es una constante igual a 5.67 10-8 W/(m2 K-4)

Transporte del calor

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La suma de todas las energías de las moléculas de una sustancia se denomina Energía Interna (U).

Un sistema cerrado (no intercambia masa con el medio exterior) puede incrementar, o disminuir su energía interna intercambiando trabajo o calorcon el medio exterior.

Primera ley de la termodinámica

VpxAAFxFW Δ=Δ=Δ=

Ejemplo de trabajo efectuado sobre un sistema: pistón móvil

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ΔU = Q + W

ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor suministrado y W es el trabajo efectuado sobre el sistema

La primera ley de la termodinámica se refiere a la conservación de la energía interna, del calor y del trabajo:

Primera ley de la termodinámica