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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Departamento Académico de Física UNT

Escuela de Ingeniería de Materiales Curso:

Dr. Luis M. Angelats Silva [email protected]

FISICA II – 2015 - I

Unidad 01: Termodinámica Tema 1: Temperatura y Calor

1. 2. 3.

Sears-Zemansky-Freedman-Young, FISICA UNIVERSITARIA, Volumen I. P. Tipler-G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, Vol I, 6ta Edic. R. Serway – J. Jewett, FISICA, Volumen I

07/04/2015

Luis Angelats Silva

1. Temperatura y equilibrio térmico: La temperatura de un sistema es una medida de la energía cinética media de las partículas que lo constituyen. Es también una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su capacidad para ceder energía calorífica. Movimiento atómico o molecular

Sólido

07/04/2015

Líquido

Gases (átomos movimiento)

Luis Angelats Silva

en

CAMBIOS DE ESTADO

Sublimación

Sólido

Líquido Fusión

Vaporización

Solidificación

Licuefacción

Sublimación inversa

Gas

Cambios progresivos (el sistema absorbe calor) Cambios regresivos (el sistema cede calor)

07/04/2015

Luis Angelats Silva

EQUILIBRIO TÉRMICO:

“El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos o sistemas dejan de intercambiar energía por calor o radiación electromagnética si se ponen en contacto térmico” Caliente

Mayor temperatura

Menor temperatura

calor

Misma temperatura

07/04/2015

Luis Angelats Silva

Ley Cero de la Termodinámica: «Si inicialmente C está en equilibrio térmico con A y con B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí»

Aislante

¿Cómo medimos la temperatura? C

Equilibrio térmico (TA = TB)

“Podemos considerar la temperatura como la propiedad que determine si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos” (Definición macroscópica) 07/04/2015

Luis Angelats Silva

Pregunta de análisis 1:

Si se introduce un termómetro en una olla de agua caliente y se registra la lectura de aquél, ¿qué temperatura se registrará? i) la temperatura del agua; ii) la temperatura del termómetro; iii) un promedio igual de las temperaturas del agua y el termómetro;?

2. Termómetros y escalas de la temperatura: Fundamento para la construcción de los termómetros:

30°C 20°C

 Cambio en el volumen de un líquido  Cambio en la longitud de un sólido  Variación de la presión de un gas a volumen constante  Cambio en el volumen de un gas a presión constante  La resistencia eléctrica de un conductor  Cambio del color de un objeto Ejemplo: Dilatación del mercurio por efecto del agua caliente en el tubo de ensayo 07/04/2015

Luis Angelats Silva

- Termómetros basados en dilatación de un sólido: -6 -1 Acero ( = 11 x 10 (°C )).

Cinta bimetálica Latón ( = 19 x 10-6 (°C-1). Temperatura ambiente Temperatura superior On

25°C

Off

30°C

Cintas metálicas empleadas como interruptor de contacto eléctrico en un termostato. Una cinta bimetálica se dobla cuando cambia la temperatura, porque los dos metales tienen diferentes coeficientes de expansión.

- Termómetros de infrarrojo: La energía emitida en el infrarrojo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura del objeto, lo cual es detectado por un sensor óptico que mide la energía térmica emitida por el objeto. La señal analógica del sensor es amplificada y convertida por un circuito en una variable física (temperatura), permitiendo visualizar en una pantalla la medición en grados Celsius o Fahrenheit. Rango de medición: -50 °C a +800°C

07/04/2015

Luis Angelats Silva

Escala Celsius (Tc) y Fahrenheit (TF): 100

100 °C, 212 °F Tc , TF

100 divisiones de 1 °C 180 divisiones de 1 °F

0 °C, 32 °F

TC 0  TF 32 100 180 TC  5(TF 32) 9 Agua + hielo

Agua + vapor

TC  5TF 9

Equivalencia entre cambios de temperatura

Ejercicios: 1. ¿Qué temperatura Fahrenheit es 15° bajo cero en escala Celsius? ¿Qué temperatura Celsius es 15° bajo cero en escala Fahrenheit? Rptas: 5°F, -26.1°C.

2. Si la temperatura sube en 30 C°. ¿en cuántos grados F° sube la temperatura? Rpta: TF = 54 °. 3. La temperatura controlada durante un tratamiento térmico de recocido de un acero es de: (550.8  5.7)°C. (a) ¿Cuál es la precisión del instrumento? (b) Exprese este resultado en °F y en Kelvin (K). Luis Angelats Silva

Relación entre escalas mas usadas para medir la temperatura:

T

TC

TF

TC  5(TF 32) 9

T TC 273.15

Ejercicio 4. Ordene de mayor a menor las siguientes temperaturas: i) 0.00 °C; ii) 0.00 °F; iii) 260.00 K; iv) 77.00 K; v) 2180.00 °C. Luis Angelats Silva

3. El termómetro de gas de volumen constante y la escala absoluta de temperatura:

Calibración:

Todos los datos extrapolados llegan a presión cero a la misma temperatura: ̵ 273.15 °C

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Un termómetro de gas a volumen constante mide la presión del gas contenido en el frasco inmerso en el baño

07/04/2015

Gráfica de presión vs. temperatura tomada con un termómetro de gas a volumen constante

Pruebas experimentales de presión vs. temperatura, en las que los gases tiene presiones diferentes en un termómetro de gas a volumen constante.

Luis Angelats Silva

0°

T TC 273.15 Temperaturas absolutas a las que se presentan varios procesos físicos (Escala logarítmica) Ejercicio 5: Un termómetro de gas de volumen constante está calibrado en hielo seco (es decir, dióxido de carbono en estado sólido, que tiene una temperatura de -80°C) y en alcohol etílico en ebullición (78.0°C). Las dos presiones son 0.900 atm y 1.635 atm. (a) ¿Qué valor Celsius del cero absoluto da la calibración? ¿Cuál es la presión en (b) el punto de congelación del agua y (c) el punto de ebullición del agua? 07/04/2015

Luis Angelats Silva

Expansión térmica de sólidos y líquidos:

La expansión térmica es una consecuencia del cambio en el promedio de separación entre los átomos en un cuerpo. 10-10 m

Modelo oscilatorio de las posiciones atómicas por efecto de la temperatura. A mayor temperatura, mayor amplitud de vibración.

EXPANSIÓN LINEAL: L0

  L/ L0 T

L L

ó

L L0T

donde,

L  L L0 T T T0 L L0 L0(T T0)

  Coeficiente de expansión lineal 07/04/2015 Luis Angelats Silva

¿Los agujeros se hacen más grandes o más pequeños cuando se calienta la lámina? Expansión o dilatación térmica de una arandela homogénea de metal. Conforme la arandela es calentada, todas las dimensiones se incrementan.

“una cavidad en una pieza de material se expande en la misma forma como si la cavidad estuviera llena con el material” 07/04/2015

Luis Angelats Silva

EXPANSIÓN DE VOLUMEN:

V V0

  V /V0 T

ó

V V0  V0(T T0)

Demostrar!!

Con:  = 3

  Coeficiente de expansión de volumen

Tarea: Demostrar que el cambio en área de una placa rectangular está dada por:

A 2A0T

Luis Angelats Silva

07/04/2015

Luis Angelats Silva

Pregunta de análisis 2:

Si a un estudiante le piden hacer un termómetro de vidrio muy sensible, ¿cuál de los siguientes líquidos de trabajo escogería? (a) mercurio, (b) alcohol, (c) gasolina (96 x 10-5°C-1), (d) glicerina Pregunta de análisis 3: Dos esferas están hechas del mismo material y tienen el mismo radio, pero una es hueca y la otra es sólida. Las dos esferas son llevadas al mismo aumento de temperatura, ¿cuál se expande más? La esfera sólida, la esfera hueca o ¿ambas se expande la misma cantidad? Ejercicio 6: Un evaluador usa una cinta métrica de acero que tiene exactamente 50.000 m de longitud a una temperatura de 20 °C. ¿Qué longitud tiene en un día caluroso de verano en el que la temperatura es de 35 °C? Rpta: 50.009 m Ejercicio 7:

Un frasco de vidrio con volumen de 200 cm3 se llena hasta el borde con mercurio a 20 °C. ¿Cuánto mercurio se desbordará si la temperatura del sistema se eleva a 100 °C? El coeficiente de expansión lineal del vidrio es de 0.40x10-5 K-1. Rpta: 2,7cm3 07/04/2015

Luis Angelats Silva

Analice el siguiente ejercicio: Ejercicio 8: El corto electrotérmico

Un dispositivo electrónico ha sido diseñado en forma deficiente de modo que dos tronillos unidos a piezas diferentes del dispositivo casi se tocan entre sí en su interior (ver Fig.). Los tornillos de acero (12 x 10-6 K-1) y latón (20 x 10-6 K-1) están a diferentes potenciales eléctricos y si se tocan se produce un cortocircuito dañando al dispositivo. Si la distancia entre los extremos de los tornillos es 5.0 m a 27°C, ¿a qué temperatura se tocarán los tronillos? Rpta: ??.

Acero

07/04/2015

Latón

Luis Angelats Silva

EXPANSIÓN TÉRMICA DEL AGUA:

07/04/2015

Luis Angelats Silva

ESFUERZO TÉRMICO:

Los esfuerzos térmicos se presentan por efecto de la dilatación o contracción debido a cambios de temperatura.

El cambio fraccionario de longitud si la varilla estuviera libre sería:

 L T  L0  térmico

Por la definición del módulo de Young:

 L F   L0  tensión AY

Y  F/ A L/ L0

Si la longitud tiene que ser constante, el cambio fraccionario total de longitud debe ser cero. Por lo que implica:

 L  L F 0     T   L0    AY térmico  L0 tensión

07/04/2015

F  YT A

(Esfuerzo térmico) Luis Angelats Silva

Ejemplo de esfuerzo térmico:

Solución

07/04/2015

Luis Angelats Silva

Ejercicio 9:

Un segmento de vía de acero para ferrocarril tiene una longitud de 30 000 m cuando la temperatura es 0.0 °C. (a) ¿Cuál es la longitud cuando la temperatura es 40.0 °C? (b) Suponga que los extremos del riel están rígidamente sujetos a 0.0 °C de modo que se impide su expansión ¿cuál es el esfuerzo térmico establecido en el riel si su temperatura se eleva a 40.0 °C?(Módulo de Young para el acero: Y = 20 x1010 N/m2) (c) ¿Qué pasaría si la temperatura baja a -40.0 °C? ¿cuál es la longitud del segmento no sujeto?

07/04/2015

Luis Angelats Silva