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Termodinámica Ley Cero de la Termodinámica Ing. Edwin Molina Cárdenas

Frio - calor • Varias propiedades de los materiales cambian con la temperatura de manera repetible y predecible, esto establece una base para la medición precisa de la temperatura. • Ejemplo: el termómetro de mercurio

utilizado comúnmente se rige por la expansión del mercurio con la temperatura.

Ley cero de la termodinámica “Dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto” Esta ley sirve como base para la validez de la medición de la temperatura

Temperatura • Es la propiedad de los sistemas que determina si se encuentran o no en equilibrio • La temperatura de un sistema es la propiedad de la cual depende que un sistema se encuentre en equilibrio térmico con otros. Por tanto, cuando dos o más sistemas están en equilibrio térmico tienen la misma temperatura.

Escalas de temperatura • Permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. • Se basan en estados fácilmente reproducibles como punto de congelamiento y punto de vapor. • La propiedad termométrica utilizada en el termómetro debe cumplir una serie de condiciones • Variaciones pequeñas de temperatura del cuerpo han de ocasionar variaciones apreciables de la propiedad observada. • La propiedad termométrica ha de carecer de inercia, es decir, el termómetro ha de detectar rápidamente las variaciones de temperatura.

Escalas de temperatura • El termómetro no debe producir alteraciones en el sistema cuya temperatura se desea obtener • Una escala termométrica se puede construir adoptando una función arbitraria t=t(x) que proporciona la temperatura cuando se conoce el valor de la magnitud termométrica empleada • La función utilizada es de tipo lineal F = ax +b

Escalas de temperatura • Escala Celsius (Sistema Internacional) 𝑇𝑇𝐻𝐻 = 0 𝑇𝑇𝑉𝑉 = 100 • Escala Fahrenheit (Sistema Ingles) 𝑇𝑇𝐻𝐻 = 32 𝑇𝑇𝑉𝑉 = 212 Estas escalas son conocidas como “escalas de dos puntos” o “escalas relativas”

Escalas de temperatura • Escala Kelvin: La temperatura mínima en esta escala es el cero absoluto para el sistema internacional • Escala Rankine: La temperatura mínima en esta escala es el cero absoluto para el sistema inglés Estas escalas son consideradas como “absolutas”

Escalas de temperatura

Ejercicio 1 1. El termómetro de mercurio de un médico está mal calibrado ya que indica erróneamente un valor de -2°C para el punto de congelación del agua y 108 °C para el punto de ebullición del agua. a) ¿Cuál será la temperatura centígrada verdadera cuando este termómetro indica que un paciente tiene una fiebre de 40 °C? b) ¿Cuál será la única temperatura para la cual el termómetro indica un valor correcto?

Solución 𝑇𝑇𝐵𝐵 = 𝑎𝑎𝑇𝑇𝑀𝑀 + 𝑏𝑏 100 = 𝑎𝑎108 + 𝑏𝑏 � 0 = −𝑎𝑎2 + 𝑏𝑏 100 = 𝑎𝑎 108 + 2

100 ⇒ 𝑎𝑎 = 0.91; 𝑏𝑏 = 2𝑎𝑎 ⇒ 𝑏𝑏 = 1.82 𝑎𝑎 = 110 a) 𝑇𝑇𝐵𝐵 = 0.91𝑇𝑇𝑀𝑀 + 1.82, 𝑇𝑇𝑀𝑀 = 40 ⇒ 𝑇𝑇𝐵𝐵 =38.22°C b) 𝑇𝑇𝐵𝐵 = 0.91 𝑇𝑇𝐵𝐵 + 1.82 ⇒ 𝑇𝑇𝐵𝐵 (1-0.91)=1.82 𝑇𝑇𝐵𝐵 = 20.22°C

Termómetro de gas • Este termómetro funciona bajo el principio de que a bajas presiones,

la temperatura de un gas es proporcional a su presión a volumen constante. Es decir, a presiones suficientemente bajas la temperatura

de un gas de volumen fijo varia de forma lineal con la presión 𝑇𝑇 = 𝑎𝑎 + 𝑏𝑏𝑏𝑏 • Este tipo de termómetro se utiliza como instrumento normativo para la graduación de otros termómetros. • El gas utilizado es helio, hidrógeno o nitrógeno.

Presión • Fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. • Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que en contraparte de la presión en sólidos es el esfuerzo normal. 1𝑃𝑃𝑃𝑃 = 1𝑁𝑁/𝑚𝑚2 • Múltiplos: 1𝑘𝑘𝑃𝑃𝑃𝑃 = 103 𝑃𝑃𝑃𝑃; 1𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃 = 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 • Otras unidades son: bar, atmósfera estándar y kilogramo fuerza por centímetro cuadrado 1𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 = 105 𝑃𝑃𝑃𝑃=0.1MPa=100kPa 1𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 101325𝑃𝑃𝑃𝑃=101.325kPa=1.01325kPa 1𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑐𝑐𝑐𝑐2 = 9.807𝑁𝑁/𝑐𝑐𝑐𝑐2 =9.807x104 𝑁𝑁/𝑚𝑚2 =9.807x104 Pa

Presión • La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto, sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en la atmósfera, por lo que se indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es la presión manométrica. • Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío. 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 -𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑣𝑣𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡 -𝑃𝑃𝑎𝑎𝑏𝑏𝑏𝑏

Presión

Variación de presión con la profundidad • La presión de un fluido en reposo aumenta con la profundidad (como resultado del peso agregado)

Variación de presión con la profundidad Si un fluido está en reposo en un recipiente, todas las partes del fluido, deben encontrarse en equilibrio estático. Asimismo, todos los puntos que están a la misma profundidad deben hallarse a la misma presión. Si no fuera así, una parte del fluido no estaría en equilibrio. Considérese un pequeño bloque de fluido. Si la presión fuese mayor sobre el lado izquierdo del bloque que sobre el derecho, el bloque se aceleraría y por lo tanto no estaría en equilibrio.

m

h

mg

Variación de la presión con la profundidad • Examinemos ahora la parte del fluido contenida en la región más oscura de la figura. • Puesto que este volumen de fluido está en equilibrio, la suma de todas las fuerzas debe ser cero. F = mg g m ρ = ⇒ m = ρV V V = S ⋅h F = ρ ⋅S ⋅h⋅ g g F g ∴P = = ρ ⋅ g ⋅h hidr S

m

h

mg