FÍSICA

Selección Temperatura Escalas de temperatura Escala centígrada o de Celcius Escala de Fahrenheit Escala de Kelvin Conversión de escalas Dilatación térmica Dilatación de sólidos Dilatación lineal Dilatación de líquidos Dilatación de gases Calor Unidades de calor Capacidad calorífica Máquinas térmicas Termodinámica Ley cero de la termodinámica Ley uno de la temperatura Procesos Segunda ley de la termodinámica

UNIDAD 2

 

2. Temperatura

 

La temperatura se conoce como la cantidad de calor que puede tener un cuerpo. Si posee un alto nivel de calor se dice que es caliente y si posee un bajo nivel de calor se dice que es frío, esto es percibido por el sentido del tacto pues cuando se saca del congelador una cubeta de plástico y una de aluminio, da la sensación que esta última está fría.Tal sensación es causada porque el aluminio presenta menos resistencia al paso de calor.

 

2.1. Escalas de temperatura

 

Para cuantificar la temperatura el hombre ha creado y perfeccionado los termómetros. Se fundamentan en el hecho de que cuando son puestos en contacto con un determinado sistema estos entran en equilibrio térmico logrando así que tanto sistema como termómetro toman la misma temperatura la cual se puede cuantificar en una escala.

El termómetro mas utilizado es el de mercurio que consta de un tubo de vidrio y un capilar, cuando se calienta el tubo, el mercurio se dilata por el capilar indicando así un valor calibrado en éste.

 

 

 

Termómetro

Pero como es evidente la temperatura debe ser medido en un gran campo de aplicación y por tal motivo se utiliza diferentes tipos de escalas, que se utilizan de acuerdo a las conveniencias en cada trabajo.

2.1.1.Escala centígrada o de Celcius

 

Es la más utilizada puesto que presenta una escala de graduación de fácil manejo. La cual toma el punto de fisión (congelación) del agua en cero grados centígrados 0° C como punto de referencia y cien grados centígrados 100° C como punto de ebullición (evaporación).

2.1.2. Escala Fahrenheit

En esta escala el punto de fusión del agua es de 32°F y el punto de ebullición del agua se encuentra en 212°F. El punto de fusión lo obtuvo mezclando agua, sal y cloruro de amoniaco y el de ebullición midiendo la temperatura del cuerpo humano.

2.1.3. Escala de Kelvin

Esta escala toma el punto triple del agua como referencia. En éste punto se encuentra en equilibrio el vapor de agua, el agua liquida y el agua congelada, lo que se logra obtener cuando se aplica una presión de 4.58 mm de Hg (mercurio) para alcanzar una temperatura absoluta (T) de 273° K la cual se toma como punto de origen para la toma de medidas.

0° C = 273° K

Si se quiere pasar cierta cantidad X de grado Celsius a grados Kelvin, simplemente se debe sumar tales grados Celsius a 273° K y para pasar grados Kelvin a Grados Celsius se debe restar 273°K a los grados Celsius dados.

Para convertir grados Kelvin a Fahrenheit o viceversa, de acuerdo al caso, se deben pasar los grados (Kelvin o Fahrenheit) a grados Celsius y luego se pasan a la escala solicitada.

Escalas de Temperatura.

Ejemplo:

Pasar 20°C a grados kelvin

20° + 273° = 293°

luego 20°C corresponden a 293°K

 

 

Pasar 323° K a grados Celsius

323° - 273° = 50°

luego 323°K corresponden a 50°C

 

 

2.1.4. Conversión de escalas Celsius y Fahrenheit

 

Tomamos como punto de partida los puntos de ebullición y fusión de cada escala relacionándolos de la siguiente manera.

100°C = 212°F puntos de ebullición

0° = 32°F puntos de fusión

 

Los cuales se toman como puntos en un plano cartesiano de tal manera que se pueda obtener una relación entre ellos, hallando la pendiente de la recta y luego hallar la ecuación de la recta.

Los puntos serán (100°C,212°F) y (0°C,32°F)

Y La pendiente esta dada por:

Luego la ecuación de la recta es:

 

 

2.2. Dilatación térmica

 

Cuando se aumenta la temperatura de un cuerpo, también se aumenta el volumen. Este fenómeno es conocido con el nombre de dilatación. Dicho fenómeno afecta a todo cuerpo sin importar el estado en que se encuentre (sólido, liquido o gaseoso), pero en diferentes escalas, pues los gases presentan una mayor dilatación que sólidos y líquidos. Y los líquidos más que los sólidos.

2.2.1. Dilatación de sólidos

Cuando se calienta una varilla de hierro está aumenta su volumen, lo que significa que tuvo que haber existido una dilatación lineal y una dilatación superficial. Por tal razón estudiaremos primero estas ultimas.

2.2.1.1. Dilatación lineal

.

Varilla a temperatura inicial Varilla al aplicar un aumento de temperatura.

Al aplicar un aumento de temperatura en la varilla está presenta un aumento de longitud el cual viene dada por la expresión.

De manera analógica la dilatación superficial y volumétrica está dada por las siguientes expresiones.

Para la dilatación superficial.

 

Lamina a temperatura inicial	Lamina luego de aplicar un aumento de temperatura

 

A continuación se cita la tabla de coeficientes de dilatación ( lineal) para algunas sustancias (si se desea el coeficiente superficial o volumétrico de estas sustancias se debe multiplicar por dos o por tres, respectivamente)

 

 

 

2.2.1.2. Dilatación de líquidos

 

Como los líquidos no presentan una determinada forma se habla simplemente de un coeficiente de dilatación cubica, pero aunque es cierto que los líquidos se dilatan existe un hecho curioso y es que para calentar un liquido se necesita almacenarlo en un recipiente el cual también se calienta y por consiguiente se dilata. Esto es para afirmar que existe una dilatación aparente del liquido y una dilatación del recipiente. De tal manera que la dilatación total del liquido es igual a la dilatación aparente más la dilatación del recipiente.

 

DL = Da + Dr

 

2.2.1.3. Dilatación de gases

 

Un gas se dilata generalmente cuando se disminuye la presión a la cual se encuentre sometido el gas o a un aumento de la temperatura del mismo. Pero debido a que no son las únicas características que pueden afectar a los gases se realizara un estudio más minucioso para lo cual aplicaremos la teoría cinética de los gases Ley de Boyle Cuando la temperatura en un gas permanece constante, el producto entre el volumen que ocupa y la presión permanecerá constante.

luego si T es constante

Entonces VP = Cts lo que significa que cuando se toman dos estados uno inicial (1) y el otro final (2) se cumple que:

 

Ley de Charles

Cuando en un gas se mantiene constante la presión, en un proceso de cambio de estado inicial (1) a uno final (2) trae como consecuencia que el volumen varíe proporcionalmente a la temperatura, de la siguiente forma.

 

 

Ley de Gay-Lussac

Si se mantiene el volumen de un gas constante y se varia la presión esto traerá como consecuencia que la temperatura también cambie, además este cambio es directamente proporcional. Luego

 

Ley de Charles - Boyle

Esta se deduce al combinar la ley de Charles a presión constante y la ley de Boyle a temperatura constante. De tal relación se obtiene

 

2.3. Calor

Es una manifestación de energía la cual se hace evidente cuando existen cambios de temperatura entre dos o más cuerpos. En los cuerpos que se encuentran a igual temperatura no se puede afirmar que existe calor (el calor es cero), porque no existe intercambio de temperaturas. Esto explica la diferencia entre calor y temperatura. Este intercambio o transferencia se puede realizar en tres formas por conducción, convección o por radiación

Conducción: Ocurre cuando las partículas de los cuerpos, por lo general sólidos, chocan entre si ( un ejemplo sencillo y claro es el frotar las manos).

Convección: Esto ocurre cuando la diferencia de densidad y temperaturas crea un movimiento de fluidos.

Radiación: Ocurre cuando el calor se transmite en forma de onda electromagnética, como sucede con la energía que emite el sol.

2.3.1. Unidades de calor

Como el calor es una forma de energía sus unidades son N m, lo que se conoce con el nombre de Joulios, Pero existe otra unidad para el calor llamada caloría (cal) que se define como la cantidad de calor que se debe aplicar a 1 g de agua para cambiar su temperatura de 14.5°C a 15.5°C. La kilocaloria ( Kcal) corresponde a 1000 calorías y la Btu (British Thermal Unit) unidad del sistema ingles es igual al calor aplicado para llevar una libra de agua desde 63 °F hasta 64°F.

Todas estas unidades se relacionan de la siguiente manera

4.186 joules = 3.99 Btu = 1 Kcal = 1000 cal

2.3.2. Capacidad calorífica

 

Se llama capacidad calorifica (C ) al cociente entre la cantidad de calor (Q) y el cambio de temperatura (T) luego

Lo que se hace evidente cuando a iguales masas de agua y mercurio se aplica una misma cantidad de calor, la variación de temperatura será diferente. Dividiendo la expresión anterior por la masa m, se obtiene:

 

En la siguiente tabla se muestran los pesos específicos de algunas sustancias.

 

 

Otro concepto importante es el calor latente (L) que es la medida de calor que debe aplicarse a una unidad de masa, de una sustancia para lograr cambiar su estado. El calor latente se define como el cociente entre la cantidad de calor sobre la masa.

 

2.4. Máquinas térmicas

Este tipo de máquinas utiliza como fuente el calor que se genera por el aumento de temperatura producido por un elemento que genera trabajo. En pocas palabras lo que hace funcionar tales máquinas es el cambio de calor producido por combustión y que se convierte en trabajo mecánico.

Estos tipos de maquinas se dividen en dos tipos:

 

combustión interna (motor diesel o de explosión)

combustión externa ( motores de turbina o la maquina de vapor)

2.5. Termodinámica

Estudia los procesos de intercambio de energía de los cuerpos con el medio. Intervienen la presión, temperatura y el volumen como elementos variables en determinadas situaciones.

2.5.1. Ley cero de la termodinámica.

Dos cuerpos o sistemas de partículas a diferentes temperaturas que se ponen en contacto, lograran el equilibrio térmico al cabo de un tiempo t. Lo anterior quiere decir que el más caliente cederá calor al más frío hasta llegar a un punto en donde los dos tengan igual temperatura.

2.5.2.Ley uno de la temperatura

 

 

 

2.5.2.1. Proceso adiabático

 

Se realiza cuando no existe intercambio de calor entre el medio que lo rodea y el sistema, esto indica que el sistema no pierde, ni gana calor. Los termos son un ejemplo.

Proceso isobárico

En este proceso la presión es constante, esto trae como consecuencia que el trabajo realizado es diferente de cero.

 

Proceso isotérmico

Proceso a temperatura constante, por tal razón la variación de la energía interna debe ser cero, luego

 

Q = T

 

Proceso isocoro

Es el que se realiza a volumen constante, en este proceso no se realiza trabajo de manera que.

 

 

Proceso cíclico

En esta clase de procesos el sistema vuelve a su estado inicial, en consecuencia de esto, el trabajo se convierte en calor y el calor se convierte en trabajo

2.5.3. Segunda ley de la termodinámica

Proceso en el que una maquina térmica toma calor de un punto caliente para realizar un trabajo y luego devuelve una parte de calor a un punto frío completando así un ciclo.

Luego de esto los puntos vuelven a su estado inicial para realizar otro ciclo, de acuerdo a esto la maquina tendrá un rendimiento ideal que debe ser igual a uno.

 

 

En estas condiciones no todo el calor absorbido produce una cantidad de trabajo equivalente. Esto fue demostrado por el francés Carnot en 1824, utilizando máquina que lleva su nombre.