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FACULTAD DE INGENIERFACULTAD DE INGENIERÍÍAADEPARTAMENTO DE FDEPARTAMENTO DE FÍÍSICA Y QUSICA Y QUÍÍMICAMICACURSO FCURSO FÍÍSICA II 2013SICA II 2013CLASE IVCLASE IVProf. Juan JosProf. Juan Joséé CoraceCorace

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTEUNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE

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CUANDO VEMOS ESTA ANIMACICUANDO VEMOS ESTA ANIMACIÓÓN ES PARA TENER EN CUENTA ELN ES PARA TENER EN CUENTA ELCONCEPTOCONCEPTO

SISTEMASISTEMA

MEDIOMEDIO

PAREDPARED

PROPIEDADES: V,PROPIEDADES: V, y Py P

ECUACIECUACIÓÓN DE ESTADO f(P,V,T)N DE ESTADO f(P,V,T)

EQUILIBRIOEQUILIBRIO

ESTADOS DE AGREGACIESTADOS DE AGREGACIÓÓNN

FLUIDOS Y SUS PROPIEDADESFLUIDOS Y SUS PROPIEDADES

LA ENERGIA Y LOS CAMBIOSLA ENERGIA Y LOS CAMBIOS

CONCEPTOS VISTOS HASTA AHORA:CONCEPTOS VISTOS HASTA AHORA:

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TEMPERATURATEMPERATURA

CONCEPTOCONCEPTO

MEDIDA DE LA TEMPERATURAMEDIDA DE LA TEMPERATURA

ESCALAS DEESCALAS DE TEMPERATURASTEMPERATURAS

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TEMPERATURATEMPERATURA

Tiene una relación directa con laconcentración de ENERGÍA INTERNA.

En el caso más simple: un gas,podemos decir que la temperatura esuna medida de la energía cinéticapromedio de las moléculas (TCG)

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ENERGENERGÍÍA TA TÉÉRMICARMICAUn cuerpo contiene, o almacena, energíatérmica, “no calor”; este último es energíatérmica que se transfiere.

Un enfoque moderno es llamar a la energíainterna de un objeto, como energíatérmica..

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NO ES UNANO ES UNAPROPIEDAD DELPROPIEDAD DEL

SISTEMASISTEMADEPENDE DELDEPENDE DEL

PROCESOPROCESOSOLO SE PRESENTASOLO SE PRESENTA

DURANTE LADURANTE LATRANSFERENCIATRANSFERENCIA

TRANSFERENCIA DE CALORTRANSFERENCIA DE CALORY/O TRABAJOY/O TRABAJO

ENERGENERGÍÍA ENA ENTRANSICITRANSICIÓÓNN

SON PROPIEDADESSON PROPIEDADESDEL SISTEMADEL SISTEMA

POTENCIALPOTENCIALCINETICACINETICA

INTERNA (TERMICA)INTERNA (TERMICA)ELECTROMAGNETICAELECTROMAGNETICA

QUIMICAQUIMICA

ENERGIAENERGIASINSIN

TRANSICITRANSICIÓÓNN

CONDICICONDICIÓÓNNTIPOTIPOFORMAFORMA

FORMAS DE ENERGFORMAS DE ENERGÍÍAA

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CONCEPTO DE TEMPERATURACONCEPTO DE TEMPERATURA

La energía térmica es la energía asociadacon el movimiento aleatorio de los átomos y

las moléculas.

En general, la energía térmica se puedecalcular a partir de mediciones de

temperatura.

Es necesario distinguir con claridad entreenergía térmica y temperatura.

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TEMPERATURA Y ELTEMPERATURA Y EL PRINCIPIO CEROPRINCIPIO CERO

La temperatura es una propiedad primordial

en Termodinámica.

Su determinación cuantitativa se realiza con

instrumentos llamados termómetros.

La Ley Cero de la Termodinámica postula que

es posible medir la temperatura, es decir, que

la temperatura es una propiedad observablepropiedad observable

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IMAGINEMOS UN SISTEMA FORMADO PORIMAGINEMOS UN SISTEMA FORMADO PORDOS SUBSISTEMAS A Y BDOS SUBSISTEMAS A Y B

0)Y,X,Y,X(F B2

B2

A1

A1

ECUACIECUACIÓÓN DEL EQUILIBRIO TN DEL EQUILIBRIO TÉÉRMICORMICO

A B

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EQUILIBRIO TEQUILIBRIO TÉÉRMICO MUTUORMICO MUTUO

EN GENERAL, CUANDO SE PONEN EN CONTACTOEN GENERAL, CUANDO SE PONEN EN CONTACTODIATDIATÉÉRMANO DOS SISTEMAS CUALESQUIERA SUFRENRMANO DOS SISTEMAS CUALESQUIERA SUFREN

TRANSFORMACIONES INTERNASTRANSFORMACIONES INTERNAS……

0Y,X;Y,XfYY;XX

YY;XX2211

2222

1111

EL CONJUNTO FORMAEL CONJUNTO FORMAUN NUEVO SISTEMAUN NUEVO SISTEMA

AISLADO, EN UNAISLADO, EN UN

TIEMPOTIEMPO ““””

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PROPIEDADES DEL EQUILIBRIOPROPIEDADES DEL EQUILIBRIO

1.1.-- UN SISTEMA EN EQUILIBRIO TUN SISTEMA EN EQUILIBRIO TÉÉRMICO,RMICO,ESTESTÁÁ EN EQUILIBRIO CONSIGO MISMO.EN EQUILIBRIO CONSIGO MISMO.

2.2.-- SI UN SISTEMA ESTSI UN SISTEMA ESTÁÁ EN EQUILIBRIOEN EQUILIBRIOTTÉÉRMICO CON OTRO SISTEMA, ESTE OTRORMICO CON OTRO SISTEMA, ESTE OTROESTARESTARÁÁ EN EQUILIBRIO TEN EQUILIBRIO TÉÉRMICO CON ELRMICO CON EL

PRIMEROPRIMERO……

3.3.-- SI EL SISTEMA AL QUE LLAMAMOS 1, ESTSI EL SISTEMA AL QUE LLAMAMOS 1, ESTÁÁEN EQUILIBRIO MUTUO CON OTRO LLAMADOEN EQUILIBRIO MUTUO CON OTRO LLAMADO

SISTEMA 2,...SISTEMA 2,...

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PRINCIPIO CEROPRINCIPIO CERO

... Y AL MISMO TIEMPO EL... Y AL MISMO TIEMPO ELSISTEMA 1 ESTSISTEMA 1 ESTÁÁ ENENEQUILIBRIO CON UN TERCEREQUILIBRIO CON UN TERCERSISTEMA LLAMADO 3,SISTEMA LLAMADO 3,

... EL SISTEMA 2 EST... EL SISTEMA 2 ESTÁÁ ENENEQUILIBRIO MUTUO CON ELEQUILIBRIO MUTUO CON ELTERCERO, 3.TERCERO, 3.

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LAS TRES PROPIEDADES ANTERIORES:LAS TRES PROPIEDADES ANTERIORES:ASEGURAN QUE EL EQUILIBRIOASEGURAN QUE EL EQUILIBRIOTTÉÉRMICO MUTUO SATISFACE UNARMICO MUTUO SATISFACE UNARELACIRELACIÓÓN DE EQUIVALENCIAN DE EQUIVALENCIA

ESTA PROPIEDAD GARANTIZA QUEESTA PROPIEDAD GARANTIZA QUEDICHOS ESTADOS COMPARTEN UNADICHOS ESTADOS COMPARTEN UNAVARIABLE, QUE LLAMAMOSVARIABLE, QUE LLAMAMOS““TEMPERATURATEMPERATURA””, Y EXISTE UN, Y EXISTE UNCOMPARADOR DE ESA VARIABLE, QUECOMPARADOR DE ESA VARIABLE, QUELLAMAMOSLLAMAMOS ““TERMTERMÓÓMETROMETRO””

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EN TERMINOS REALES, CONSIDEREMOS TRES CUERPOSEN TERMINOS REALES, CONSIDEREMOS TRES CUERPOSEN EQUILIBRIO MUTUO DOS A DOS, EL 1EN EQUILIBRIO MUTUO DOS A DOS, EL 1ºº CON EL 2CON EL 2ºº YYEL 1EL 1ºº CON UN 3CON UN 3ºº. DONDE LAS PROPIEDADES. DONDE LAS PROPIEDADES ““XX”” ee ““YY””PASAN A SER P y V :PASAN A SER P y V :

02211 V,p;V,pf

03322 V,p;V,ph

)V,p(HV,p(G)V,pFt 332211

03311 V,p;V,pg

Despejando:Despejando: 3312211 V,p;VGV,p;VFp

Por transitividad:Por transitividad: hh// Finalmente:Finalmente:

CONCEPTO DE TEMPERATURA EMPCONCEPTO DE TEMPERATURA EMPÍÍRICARICA

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TEMPERATURA EMPTEMPERATURA EMPÍÍRICARICA

t = ax + bt = ax + b o bieno bien t = axt = ax

ESTA FUNCIESTA FUNCIÓÓN PERMITE DISPONER DE UNA ESCALA SENCILLA DE VALORESN PERMITE DISPONER DE UNA ESCALA SENCILLA DE VALORES

PARA TENER UNA ESCALA DE TEMPERATURA EMPPARA TENER UNA ESCALA DE TEMPERATURA EMPÍÍRICARICA

LA FUNCION TEMPERATURA T = T(X) DEBE CUMPLIR LAS SIGUIENTESLA FUNCION TEMPERATURA T = T(X) DEBE CUMPLIR LAS SIGUIENTESCONDICIONES, QUE SEA:CONDICIONES, QUE SEA:

1.1. CONTINUACONTINUA, SIN DISCONTINUIDADES NI PUNTOS ANGULOSOS;, SIN DISCONTINUIDADES NI PUNTOS ANGULOSOS;

2.2. BIUNBIUNÍÍVOCAVOCA,, QUE A CADA VALOR DEQUE A CADA VALOR DE XX CORRESPONDA UNO Y SCORRESPONDA UNO Y SÓÓLO UNOLO UNO

DEDE TT ;;

3.3. MONMONÓÓTONATONA (ORDINARIAMENTE DE DERIVADA POSITIVA) PARA QUE(ORDINARIAMENTE DE DERIVADA POSITIVA) PARA QUE

SEAN DEL MISMO SIGNO EL CRECIMIENTO DESEAN DEL MISMO SIGNO EL CRECIMIENTO DE ““TT ”” Y DEY DE ““XX””..

t = f (x,y)t = f (x,y) →→ t = f (P,V)t = f (P,V)

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PARA APLICAR ESTE CONCEPTO DE ESCALA EMPPARA APLICAR ESTE CONCEPTO DE ESCALA EMPÍÍRICA DERICA DETEMPERATURAS SE DEBE TENER:TEMPERATURAS SE DEBE TENER:

UN CUERPO TERMOMUN CUERPO TERMOMÉÉTRICOTRICO: ES DECIR UN: ES DECIR UNCUERPO DONDECUERPO DONDE ALGUNA PROPIEDADALGUNA PROPIEDAD VARVARÍÍE ENE ENFORMA CONTFORMA CONTÍÍNUA Y MEDIBLE CON LANUA Y MEDIBLE CON LATEMPERATURA,TEMPERATURA,

UN PUNTO DE PARTIDAUN PUNTO DE PARTIDA: UN ORIGEN, FACILMENTE: UN ORIGEN, FACILMENTEREPRODUCIBLE, DESDE DONDE PARTIRREPRODUCIBLE, DESDE DONDE PARTIRÁÁNUESTRA ESCALA,NUESTRA ESCALA,

UNA UNIDAD:UNA UNIDAD: ES DECIR LA MAGNITUD QUEES DECIR LA MAGNITUD QUEQUEREMOS ASOCIAR A UN VALOR DEQUEREMOS ASOCIAR A UN VALOR DETEMPERATURA.TEMPERATURA.

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CUALQUIER PROPIEDAD TERMOMCUALQUIER PROPIEDAD TERMOMÉÉTRICA SE PUEDETRICA SE PUEDEEMPLEAR PARA CONSTRUIR UN TERMEMPLEAR PARA CONSTRUIR UN TERMÓÓMETROMETRO

PARA LO CUAL HAY QUE ELEGIR UNA:PARA LO CUAL HAY QUE ELEGIR UNA:SUSTANCIA TERMOMSUSTANCIA TERMOMÉÉTRICATRICA ESPECIALESPECIAL

y unay una PROPIEDAD TERMOMPROPIEDAD TERMOMÉÉTRICATRICA ESPECIALESPECIAL

GAS A VOLUMEN CTEGAS A VOLUMEN CTEPRESION DE UN GASPRESION DE UN GAS

PIROMETRO OPTICOPIROMETRO OPTICORADIACIRADIACIÓÓN OPTICAN OPTICA

TERMISTOR/SEMICONDUCTORTERMISTOR/SEMICONDUCTORRESISTENCIA ELECTRICARESISTENCIA ELECTRICA

TERMOPAR: DOS METALESTERMOPAR: DOS METALESVOLTAJE ELECTRICO INDUCIDOVOLTAJE ELECTRICO INDUCIDO

PAR BIMETALICO: DOS METALESPAR BIMETALICO: DOS METALESDILATACION TERMICADILATACION TERMICA

LIQUIDO: MERCURIOLIQUIDO: MERCURIOVOLUMENVOLUMEN

SISTEMA TERMOMETRICOSISTEMA TERMOMETRICOPROPIEDADPROPIEDAD

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TIPOS DE ESCALATIPOS DE ESCALA

DE DOS PUNTOS FIJOSDE DOS PUNTOS FIJOS

UN PUNTO FIJOUN PUNTO FIJO

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ESCALAS DE DOS PUNTOS FIJOSESCALAS DE DOS PUNTOS FIJOS

ES EL CASO EN QUE LA TEMPERATURA,ES EL CASO EN QUE LA TEMPERATURA, ““tt””, SE, SERELACIONA CON LA VARIABLE TERMOMRELACIONA CON LA VARIABLE TERMOMÉÉTRICA, X, ENTRICA, X, EN

DOS PUNTOS FIJOS:DOS PUNTOS FIJOS:

baXt

baXt 11

baXt 22

1

12

121 XX

XX

tttt

Eliminando las constantes a y b, se obtiene:Eliminando las constantes a y b, se obtiene:

tt11 con variable termomcon variable termoméétrica Xtrica X11

tt22 con variable termomcon variable termoméétrica Xtrica X22

La temperatura t con XLa temperatura t con X

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HASTA 1954 LA TEMPERATURA SE EXPRESABA ASHASTA 1954 LA TEMPERATURA SE EXPRESABA ASÍÍ::

““XX11”” yy ““XX22”” SON LOS VALORES QUE TOMA LASON LOS VALORES QUE TOMA LAPROPIEDAD TERMOMPROPIEDAD TERMOMÉÉTRICA EN LOS PUNTOS FIJOS,TRICA EN LOS PUNTOS FIJOS,

YY ““XX”” ERA EL VALOR QUE TOMA LA PROPIEDADERA EL VALOR QUE TOMA LA PROPIEDADTERMOMETRICA A LA TEMPERATURA QUE SE QUIERETERMOMETRICA A LA TEMPERATURA QUE SE QUIEREMEDIRMEDIR

12

1

XX

XX100t

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EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA ES AQUELEL PUNTO TRIPLE DEL AGUA ES AQUELEN EL QUE COEXISTEN EN EQUILIBRIOEN EL QUE COEXISTEN EN EQUILIBRIO

SUS TRES FASES:SUS TRES FASES:

SSÓÓLIDO, LLIDO, LÍÍQUIDO Y VAPOR.QUIDO Y VAPOR.SSÓÓLO DEPENDE DE LA PUREZA DELLO DEPENDE DE LA PUREZA DEL

AGUA EMPLEADA.AGUA EMPLEADA.

SE ACEPTA EL CERO ABSOLUTO COMO ORIGEN Y SESE ACEPTA EL CERO ABSOLUTO COMO ORIGEN Y SETOMA COMOTOMA COMO ÚÚNICO PUNTO FIJO EL PUNTO TRIPLENICO PUNTO FIJO EL PUNTO TRIPLEDEL AGUA, TDEL AGUA, T33 = 0,01= 0,01 ººC ; o TC ; o T33 =32,02=32,02 ººF.F.

K16,273T3

POSTERIORMENTE A 1954 LA TEMPERATURA SE EXPRESA ASPOSTERIORMENTE A 1954 LA TEMPERATURA SE EXPRESA ASÍÍ::

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EL CERO ABSOLUTOEL CERO ABSOLUTO

SE DEFINE A PARTIR DE LA CONTRACCISE DEFINE A PARTIR DE LA CONTRACCIÓÓN DEL VOLUMEN DE UNN DEL VOLUMEN DE UNGAS AL ENFRIARSE.GAS AL ENFRIARSE.

Cº15,273003661,0

1t

1

o

o

oo

)C(º003661,0tt

VV

V

1

t

V

V

1

DONDE tDONDE t00 ES EL PUNTO DE HIELO.ES EL PUNTO DE HIELO.

EL CERO ABSOLUTO ES LA TEMPERATURA DONDE SE ANULA ELEL CERO ABSOLUTO ES LA TEMPERATURA DONDE SE ANULA ELVOLUMEN DEL GAS:VOLUMEN DEL GAS:

T = 0, V = 0T = 0, V = 0

t.1VV 0

DONDE ELDONDE EL COEFICIENTE DE DILATACICOEFICIENTE DE DILATACIÓÓN:N:

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ESCALAS DE PUNTOESCALAS DE PUNTO ÚÚNICONICO

SON LA ESCALA KELVIN Y LA RANKINE. LA PRIMERASON LA ESCALA KELVIN Y LA RANKINE. LA PRIMERAUSA EL GRADO CELSIUS Y LA SEGUNDA EL FAHRENHEITUSA EL GRADO CELSIUS Y LA SEGUNDA EL FAHRENHEIT

K16,273T3

3X

X16,273)K(T

67,459Fºt)R(T 15,273Cºt)K(T

R69,491T3

)K(T5

9)R(T

LAS UNIDADES SON EL KELVIN (K) Y EL RANKINE (R).LAS UNIDADES SON EL KELVIN (K) Y EL RANKINE (R).

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PUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE FAHRENHEITPUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE FAHRENHEIT

Mezcla de sal de amonio, hielo y aguaMezcla de sal de amonio, hielo y agua………………00°°FF ≈≈--1818°°CC..Mezcla hielo y aguaMezcla hielo y agua…………………………………………………………..32..32°°FF ≈≈ 00°°C.C.Temperatura del cuerpo humanoTemperatura del cuerpo humano…………………………9696°°FF ≈≈ 3636°°C.C.

PUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE CELSIUSPUNTOS FIJOS DE LA ESCALA DE CELSIUS

Mezcla hielo y aguaMezcla hielo y agua………………………………………………..…………..0..0°°CC ≈≈ 3232°°FF..Temperatura de agua en ebulliciTemperatura de agua en ebullicióónn………………100100°°CC ≈≈ 212212°°FF..

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FIN CLASEFIN CLASE IVIV

PROXIMA CLASE 5 ABRIL 2013PROXIMA CLASE 5 ABRIL 2013