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presen. termodinamica 2 - PDF

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presen. termodinamica 2 - PDF Powered By Docstoc
					Electricidad y calor
Webpage: http://paginas.fisica.uson.mx/qb


        ©2007 Departamento de Física
           Universidad de Sonora
                              Temario
A.   Termodinámica
     1.   Temperatura y Ley Cero. (3horas)
          1.   Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica.
          2.   Concepto de temperatura.
          3.   Tipos de termómetros.
          4.   Escalas de temperatura.
          5.   Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y Líquidos.


     2. Calor y transferencia de calor. (5horas)
          1.   Concepto de calor y su equivalente mecánico.
          2.   Capacidad calorífica y calor específico.
          3.   Calor en los cambios de temperatura.
          4.   Calor en los cambios de fase: calor latente de fusión y evaporación.
          5.   Formas de transferencia de calor y sus características: conducción,
               convección y radiación
                     Temario
3. Gases ideales y estados termodinámicos. (3horas)
   1.   Concepto y características del gas ideal.
   2.   Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Gay-Lussac e hipótesis de
        Avogadro.
   3.   Ecuación de estado del gas ideal pV=nRT y su aplicación en la
        determinación de los diferentes estados termodinámicos y su
        representación grafica de presión vs. volumen.


4. Primera Ley de la Termodinámica. (6horas)
   1.   Concepto de Trabajo aplicado a gases.
   2.   Trabajo hecho por un gas ideal para los procesos: Isocóricos,
        isotérmicos, Isobáricos y adiabáticos.
   3.   El calor en los procesos termodinámicos.
   4.   Concepto de energía interna.
   5.   Primera ley y los procesos termodinámicos: Isocórico, Isotérmico,
        Isobárico y Adiabático para un gas ideal.
   6.   Ejemplos de aplicaciones de la primera ley de la termodinámica.
                      Temario
5. Segunda Ley de la Termodinámica. (6 horas)
   1.   Máquinas térmicas y su eficiencia.
   2.   Segunda ley de la termodinámica: Enunciados de Kelvin-Planck y
        Clausius.
   3.   Motores térmicos.
   4.   Refrigerador.
   5.   Ciclo de Carnot, procesos termodinámicos reversibles e irreversibles.
   6.   Entropía y segunda ley de la termodinámica.
   7.   Cálculo del cambio de entropía en procesos. Isotérmicos, Isobáricos,
        Adiabáticos e Isocóricos.
   Temas

1. Temperatura y ley cero.
   i.     Equilibrio Térmico y ley cero de la termodinámica.
   ii.    Concepto de temperatura.
   iii.   Tipos de termómetros.
   iv.    Escalas de temperatura.
   v.     Dilatación térmica de los materiales: Sólidos y
          Líquidos
           TERMODINÁMICA


Termodinámica en equilibrio
   •Termodinámica clásica
   •Termodinámica estadística

Termodinámica fuera del equilibrio
   •Termodinámica cercana al equilibrio
   •Termodinámica muy lejos del equilibrio
 Conceptos fundamentales

                                                      Universo
Un    sistema     puede   ser
cualquier    objeto,    masa,
región del espacio, etc.,
seleccionado para estudiarlo        Sistema
                                                       Frontera
y aislarlo (mentalmente) de
todo lo demás, que pasa a ser   Alrededor o entorno
el entorno del sistema.


El sistema y su entorno
forman    el   universo. La
distinción entre sistema y
entorno es arbitraria: el
sistema    es   lo   que el
observador ha escogido para
estudiar.
                                               Universo
El sistema y los alrededores
pueden interaccionar el uno
con el otro, a través de los        Sistema
                                                  Frontera
limites o frontera del
sistema, las cuales pueden         entorno
ser
 Permeables              Intercambio de materia

 Impermeables           No hay intercambio de materia

 •Diatérmicos           Intercambio de calor

 •Adiabáticos           No hay intercambio de calor
Los sistemas               termodinámicos         se   pueden
clasificar en:
            Un sistema aislado es aquel que no
            puede intercambiar materia ni
            energía con su entorno.




Un sistema cerrado es
aquel que    sólo puede
intercambiar energía con
su entorno, pero no
materia.


                Un sistema abierto es aquel que
                puede intercambiar materia y
                energía con su entorno.
Sistema termodinámico
Una    definición    mas    puntual    de    sistema
termodinámico es “cualquier cantidad de materia o
radiación lo suficientemente grande como para ser
descrito por parámetros macroscópicos, sin
ninguna referencia a sus componentes individuales
(microscópicos)”. (la posición y la velocidad de las
partículas en cada instante)


El estado de un sistema representa la totalidad de
las propiedades macroscópicas asociadas con él.
Cualquier sistema que muestre un conjunto de
variables   identificables   tiene    un     estado
termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.
Se dice que ocurre una transformación en un sistema
si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado
dentro del mismo a lo largo del tiempo.


Si el estado inicial es distinto del estado final, la
transformación es abierta.

Si los estados inicial y       final   son   iguales,   la
transformación es cerrada.

Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la
transformación es infinitesimal.

El interés de la termodinámica se centra en los estados
inicial   y     final    de     las    transformaciones,
independientemente del camino seguido.
Eso es posible gracias a las funciones de estado.
Un sistema específico para procesos
termodinámicos
               » Un gas en un cilindro con un pistón y
                 una masa variable encima del pistón.
                 Está en contacto con una reservorio
                 térmico que se usa para controlar la
                 temperatura.
               » Se pede variar la presión del gas
                 cambiando la masa, la presión es
                 peso dividido por el área.
               » Se puede variar el volumen del gas al
                 permitir que el pistón se mueva.
               » El reservorio provee o absorbe calor
                 del   sistema   y    así  variar  la
                 temperatura
Equilibrio térmico y temperatura.
Ley cero
Noción cotidiana de la temperatura; Es la
propiedad física de los sistemas que precisa y
cuantifica nuestras nociones de caliente y frío.
Los materiales más calientes tienen mayor
temperatura
    Sin embargo …

  La temperatura es una propiedad de un objeto que está
relacionada con el hecho de que el objeto esté o no en equilibrio
con otro objeto con el cuál está en contacto.

 Si están en equilibrio el estado de los objetos no cambia.
Tendrán el mismo valor de temperatura.
  Si no están en equilibrio, no tendrán el mismo valor de
temperatura. Ocurrirá un proceso que hará que baje la
temperatura del más alto y suba la del más bajo para llevarlos a
ambos a la misma temperatura y al equilibrio.
  Ley Cero de la Termodinámica
Los cuerpos que están en contacto,
directamente o a través del aire, alcanzan la
misma temperatura
El equilibrio térmico implica:
• la misma temperatura en los
cuerpos (no el mismo calor)
• si dos cuerpos están en equilibrio
térmico y uno de ellos alcanza el
equilibrio con un tercero, el
primero     también    alcanza    el
equilibrio térmico con el tercero
Esta no es una deducción
lógica sino un hecho
experimental.

En     consecuencia     es
posible definir una escala
de temperaturas.

El termómetro es el
objeto A que ha sido
calibrado con un objeto y
se usa para medir la
temperatura      de    un
tercer objeto C.
Medición de temperatura

 Termómetro: material que posea una propiedad
 termométrica:
    Cambie con la temperatura.                  L100
    Se puede medir fácilmente.
                                            L

 Para definir una escala,
 hay que definir dos cosas:
    El punto cero.                              L0
    El tamaño de la unidad
Escalas de Temperatura
Se usan tres escalas en la práctica y es bueno conocerlas.

        La escala Celsius
        La escala Fahrenheit
        La escala Kelvin

La escala Celsius
     0º C punto congelación agua a 1 atm

     100º C punto ebullición agua a 1 atm

     Si estamos hablando de cambios de temperatura o
     diferencias de temperatura, entonces ∆TC = ∆T
La escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit:

 -Ambos el tamaño de la unidad y el punto cero son
 diferentes a los anteriores.

    32º F      punto congelación agua a 1 atm.
    212º F     punto ebullición agua a 1 atm.


 - Relación    matemática      entre     temperatura
 Fahrenheit y Celsius y temperatura Kelvin.

                  TF = 1.8 TC + 32

                    ΔTF = 1.8 ΔTC
La escala Kelvin:

 El punto cero es la temperatura más baja que existe.
 Ese punto tiene un significado físico especial (no hay
 movimiento de los átomos). Por eso, esta escala será la
 más útil especialmente cuando estemos enunciando las
 leyes de la termodinámica.

 El tamaño de la unidad lo determina el hecho de que se
 define el punto triple de agua como la temperatura
 273.15K. Y es igual que el de la escala Celsius

 Relación matemática    entre   temperatura   Celsius   y
 temperatura Kelvin:

                    T = Tc + 273.15
Relación entre las escalas de Temperatura




     De   hacia Fahrenheit    hacia Celsius     hacia Kelvin
     ºF          ºF           (ºF - 32)*5/9   (ºF-32)*5/9+273.15
     ºC    (ºC * 9/5) + 32         ºC            ºC + 273.15
     K    (K-273.15)*9/5+32    K - 273.15             K
Termómetro a volumen constante y escala
Kelvin
Temperaturas típicas en el universo




    Nota la escala
  logarítmica en las
    temperaturas.
Expansión Térmica Lineal
La expansión térmica es una consecuencia del cambio
en la separación promedio entre los átomos
constituyentes del cuerpo. La expansión se da en cada
una de las direcciones (o dimensiones)          y es
proporcional al cambio la temperatura.
  Es un fenómeno de gran importancia práctica y también
  muchos termómetros comunes trabajan en base a este
  fenómeno.
  La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad
  pero es una buena aproximación para propósitos
  prácticos.
                      ΔL
                         ∝ ΔT
                      Li
O bien
                  ΔL = αLi ΔT
                L f − Li = αLi (T f − Ti )
La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad
pero es una buena aproximación para propósitos prácticos.



El coeficiente de expansión térmica lineal α, es una propiedad
del material y tiene unidades de grado inverso, y T es la
temperatura. Los subíndices i y f, se refieren a los valores
inicial y final, respectivamente.
Ejemplos de Expansión Térmica Lineal
Expansión Térmica Volumétrica

  El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los
  sólidos pero podemos definir un coeficiente de expansión
  volumétrica β para líquidos y sólidos; el cual también
  tiene unidades de grado inverso, de forma que

                    ΔV = β Vi ΔT
            V f − Vi = 3αVi (T f − Ti )
  Si el material es un sólido hay una relación entre el
  coeficiente volumétrico y el coeficiente lineal que puedes
  calcular considerando un cubo de material de lado L.

                        β = 3α
Tabla de coeficientes de expansión térmica
        para diferentes materiales.
Inusual expansión térmica del agua

				
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