unidades de masa, longitud, tiempo, (1)
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LEY CERO DE LA TERMODINAMICA
TEMPERATURA
UNIDADES DE MASA, LONGITUD,
TIEMPO, FUERZA
Segunda ley de movimiento de Newton
Fuerza, masa, longitud y tiempo
F = m*a
Tiempo (Segundo)
Periodos inferiores Prefijos mili, micro, nano, pico
Tiempo requerido para que un haz de átomos de cesio-133
resonaran 9 192 631770 ciclos en un resonador de cesio.
Factor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo
Tera T mili m
Giga G micro µ
Mega M nano n
kilo K pico p
(1)
Longitud (m) El metro es la distancia que recorre la luz en el vacío en un intervalo de
11299´792.458 de segundo
masa (kg)Kilogramo es unidad fundamental según CGPM es la masa de cierto
cilindro de platino e iridio que se mantiene bajo condiciones específicas en
la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.
mol Unidad relacionada con la masa y muy empleada en termodinámica. Se
define como la cantidad de sustancia que contiene un total de entidades
elementales igual al número de átomos en 0.012 kg de carbono-12.
Las entidades elementales deben especificarse, ya que pueden ser átomos,
moléculas, electrones, iones u otras partículas o grupos específicos.
1 mol O2 PM 32
El mol se denomina a menudo g/mol Cantidad de una sustancia en gramos, numéricamente
igual a su peso molecular
Sistema Internacional kmol
F = m*a
Fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kg a razón de 1 m por segundo cada segundo
Unidad Newton 1N 1kg* m /s²
Peso
(W)
Masa
Fuerza con la cual es atraído por la tierra (m*g )
Permanece constante con la elevación
Varía con la elevación
(1)
Relación conversión unidades
Ejemplo: Mostar que 1 lbm pesa 1 lbf en la tierra
gmW *
2174.32*1
s
ftlbmW
2
2 *174.32
1*174.32*1
s
ftlbm
lbf
s
ftlbmW lbfW 1
21
s
KgmN 2
*174.32
s
ftlbmlbf
Energía
Capacidad para producir un efecto
La energía puede almacenarse en el sistema y transferirse de un sistema a otro. Ejemplo,
como calor.
Cómo se almacena la energía?
Consideremos un sistema:
* Tanque a presión con gas. T y P = cte
* Desde el punto de vista molecular se identifican tres formas generales de energía:
* Potencial intermolecular, asociada con las fuerzas entre las moléculas.
* Cinética molecular, asociada con la velocidad de traslación de cada molécula.
* Intramolecular, asociada con las estructuras molecular y atómica y las fuerzas relacionadas.
Densidad baja o moderada
Macroscópico Microscópico
E = 67KJ + 7 KJ/Kg
Energía
Capacidad para producir un efecto
La energía puede almacenarse en el sistema y transferirse de un sistema a otro. Ejemplo,
como calor.
Cómo se almacena la energía? Macroscópico Microscópico
Vapor de agua
Agua líquida
Figura 1. Transferencia de
calor al agua
Q
-Transfiere calor al agua.
-T líquido y vapor del agua aumentan.
-Todo líquido convierte vapor.
- Punto vista macroscópico cambia P y T y la cantidad total de energía
almacenada en el agua en cualquier instante.
Volumen específico y Densidad
Volumen específico (v) Volumen por unidad de masa (m³/kg ); (m³/mol)
Densidad (ρ) Masa por unidad de volumen (kg/m³); (mol/m³)
Propiedades intensivas
∂V/ ∂ m
∂V´ ∂V
v
v= lim ∂V/ ∂ m∂V ∂V´
En el límite del volumen cero v puede ser infinito
(cuando el volumen no contiene nada de masa) ó
muy pequeño (si el volumen es parte del núcleo).
Volumen (m³); (L)
Figura 2. Límite del continuo para el volumen específico
(2)
f(T, P)
Sólidos y líquidos ----Sustancias no compresibles ρ no varía
Densidad relativa = ρ/ ρH2O T Volumen específico = ρ*g (N/mᶟ)
Volumen específico y Densidad
Volumen específico (v) Volumen por unidad de masa (m³/kg ); (m³/mol)
Densidad (ρ) Masa por unidad de volumen (kg/m³); (mol/m³)
Propiedades intensivasVolumen (m³); (L)
f(T, P)
Sólidos y líquidos ----Sustancias no
compresibles
ρ no varía
Densidad relativa = ρ/ ρH2O T Volumen específico = ρ*g (N/mᶟ)
Volumen específico y Densidad
Volumen específico (v) Volumen por unidad de masa (m³/kg ); (m³/mol)
Densidad (ρ) Masa por unidad de volumen (kg/m³); (mol/m³)
Propiedades intensivas
Deducción formulas
Ejemplo
Presión
Líquidos - Gases Presión
Sólidos Esfuerzos
- La presión de un fluido en reposo en un punto dado es la misma en todas las direcciones.
- Componente normal de la fuerza por unidad de área
P=F/A
- Fluido viscoso en movimiento, hay variación en los esfuerzos con la orientación
- Consideraremos la presión solo en términos de un fluido en equilibrio.
1Pa= 1N/m²
1 bar = Pa = 0.1 MPa
1 atm = 101325 Pa
(3)
Presión
Gas
PF ext
Figura 3. El equilibrio de fuerzas sobre una frontera
móvil se relaciona con la presión del gas en el interior.
Si se considera un gas contenido en un cilindro, con
pistón móvil.
La presión que ejerce el gas sobre todos sus límites es la
misma, si se supone que el gas se encuentra en
equilibrio.
P depende de la Fext que actúa sobre el pistón, ya que
debe haber un equilibrio de fuerzas para que el pistón
permanezca estacionario .
P*A (área del pistón) = Fext
Si Fext varía en cualquier sentido, P en el interior se ajustará en consecuencia con un desplazamiento
adecuado del pistón, para establecer el equilibrio de fuerzas en un nuevo estado de equilibrio.
Si se calienta el gas usando un cuerpo externo, P aumenta, el pistón se desplaza hasta que se alcance
el equilibrio con Fext.
Presión
P
Pabs,1
Patm
Pabs, 2
El barómetro lee la
presión atmosférica
Medidor ordinario de vacio
∆P=Patm-Pabs, 2
Medidor ordinario de presión
∆P=Pabs,1-Patm
Figura 4. Ilustración de los términos que se emplean en las mediciones de presión
Manómetro de peso muerto
Figura 5. Ejemplo de medición de la presión con una columna de fluido.
En termodinámica nos interesa la Pabs
La mayor parte de los medidores de
presión y de vacío leen la diferencia
entre la presión absoluta y la presión
atmosférica existente en el medidor y
se denomina presión manométrica
(Figura 5).
Fluido
P
Patm = P0
g
A B
L
Considerando la columna del fluido de altura L, la fuerza hacia abajo sobre la parte superior de la
columna.
P0 A + m*g = P0A + ρ*A*L*gm: masa columna fluido
A: Área sección transversal
ρ : Densidad
ρ = m/V
V= A*L
m= ρ*A*L
Presión
Figura 5. Ejemplo de medición de la presión con una columna de fluido.
En termodinámica nos interesa la Pabs
La mayor parte de los medidores de
presión y de vacío leen la diferencia
entre la presión absoluta y la presión
atmosférica existente en el medidor y
se denomina presión manométrica
(Figura 5).
Fluido
P
Patm = P0
g
A B
L
Considerando la columna del fluido de altura L, la fuerza hacia abajo sobre la parte superior de la
columna.
AP0 + m*g = AP0 + ρ*A*L*g
Esta fuerza debe equilibrarse con la fuerza ascendente sobre la parte inferior de la columna, que es
PB*A
PB-P0= ρ*L*g PB*A= P0 *A + ρ*A*L*g
PB*A/A= P0 *A/A + ρ*A*L*g/A
PB- P0 = ρ*L*g
Presión
Figura 5. Ejemplo de medición de la presión con una columna de fluido.
Fluido
P
Patm = P0
g
A B
L
P0 + m*g = P0 + ρ*A*L*g
PB-P0= ρ*L*g
Los puntos A y B están a la misma altura en las columnas del mismo fluido, entonces PA=PB
Si el fluido que se está estudiando en el recipiente tiene ρp<<< ρA ; P=PA
∆P=P-P0 = ρ*L*g PB= P0 + ρ*L*g
PA=PB
PA = P0 + ρ*L*g
Sí,
Sí, PA=P
P = P0 + ρ*L*g
P - P0 = ρ*L*g
∆P=P-P0 = ρ*L*g
Presión
Valor estándar aceleración gravitacional
9,80665 m/s²
Ley cero de la Termodinámica
Conocer y comprender el significado del principio
cero de la termodinámico.
Definir el concepto de calor
Comprender la definición de temperatura a
partir del principio cero de la termodinámica.
Igualdad de temperaturas
En principio se percibe como una sensación de frío o de calor al tocar un objeto.
Si ponemos en contacto un cuerpo frío con uno caliente, el caliente se enfría y el frío se calienta. Si
estos cuerpos permanecen en contacto por cierto tiempo, por lo general van a tener la misma
temperatura.
Los cuerpos han alcanzado igualdad de temperatura
Se debe a la transferencia de energía del cuerpo
caliente al frío en forma de calor.
Igualdad de temperaturas
El calor es la energía que se transfiere por una diferencia de temperaturas
El calor no es una propiedad de los cuerpos, es energía en tránsito. Los cuerpos no poseen calor.
Ley cero de Termodinámica
Establece que cuando dos cuerpos tienen igual temperatura que un tercer cuerpo, también tiene
igual temperatura entre sí.
Esta ley constituye la base de la medición de temperaturas.
Cada vez que un cuerpo tiene igualdad de temperatura con un termómetro, se dice que dicho cuerpo
tiene la temperatura que leemos en dicho termómetro.
En el SI la escala utilizada para medir temperatura es la celsius, en honor al astrónomo sueco
Andres Celsius (1701-1744) quien diseño está escala.
La escala absoluta a que se hace referencia en la escala celsius es la escala Kelvin
K=ºC + 273.15
Comparación Escalas Temperatura
T(K) = T(ºC)+273.15
T(R) = T(ºF)+459.67
T(R) = 1.8T(K)
T(ºF) = 1.8T(ºC)+32
Escala Temperatura
Escala
Termodinámica
de temperatura
En termodinámica es importante tener una
escala de temperatura independiente de las
propiedades de cualquier sustancia.
Ley cero de Termodinámica
El principio cero de la termodinámica permite dar una definición operacional del concepto
temperatura
El principio cero de la termodinámica establece:
1. Dos sistemas aislados del exterior, A y B, puestos en contacto prolongado a través de una pared
diatérmana alcanzan el equilibrio térmico.
A B
Pared adiabática
Pared diatérmana
Ley cero de Termodinámica
El principio cero de la termodinámica permite dar una definición operacional del concepto
temperatura
El principio cero de la termodinámica establece:
2. Si A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer sistema C, están también en
equilibrio térmico entre si.
A B
Pared adiabática
Pared diatérmana
C
Concepto de Temperatura
Cuando dos sistemas alcanzan el equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura.
La temperatura de un sistema es, por tanto, la propiedad termodinámica que determina si un
sistema se encuentra en equilibrio térmico con otros sistemas.
La temperatura se mide con los termómetros teniendo en cuenta el principio cero de la
termodinámica.
El principio cero de la termodinámica nos permite definir el concepto de
temperatura.
La definición de temperatura es operacional de modo que podemos medirla
utilizando termómetros.
Ejercicio
Durante un proceso de calentamiento, la temperatura de un sistema
aumenta 10°C. Exprese este aumento de temperatura en K, °F y R.