Principios de la Termodinámica
Termodinámica La termodinámica estudia todas las transformaciones físicas y químicas de la materia en todos sus estados: sólido, líquido, gaseoso y plasma Está relacionada con las variaciones en la temperatura y los cambios de estado que se producen como consecuencia de la transferencia de energía entre un sistema y su entorno
Temperatura: nociones intuitivas y cualitativas Asociamos el concepto de temperatura con cómo de “calientes” o “fríos” están los objetos cuando los tocamos Nuestro sentido del tacto nos proporciona una indicación cualitativa de la temperatura… … aunque poco fiable. La piel es sensible al ritmo de transferencia de energía (potencia) mas que a la temperatura del objeto. Necesitamos un método fiable y reproducible que defina lo relativamente “fríos” o “calientes” que están los objetos y que esté relacionado exclusivamente con la temperatura del objeto
Temperatura: concepto de contacto térmico y equilibrio térmico Al poner en contacto dos objetos con temperaturas iniciales diferentes acaban alcanzando una temperatura intermedia común Supongamos dos objetos colocados en un recipiente de material aislante, de manera que formen un sistema aislado Si los objetos están a temperatura diferente, intercambiarán energía entre sí (por ejemplo en forma de calor o de radiación electromagnética) Dos objetos que pueden intercambiar energía entre sí debido a la diferencia de temperatura de este modo se dicen que están en contacto térmico En algún momento, la temperatura de los dos objetos será la misma (uno se calentará y el otro se enfriará) El equilibrio térmico es la situación en la que los dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía
Temperatura: definición Consideremos dos objetos A y B que no están en contacto térmico, y un tercer objeto C que será nuestro termómetro (un instrumento calibrado para medir la temperatura de un objeto) Queremos determinar si A y B estarían en equilibrio térmico si se pusieran en contacto térmico (Gp:) En primer lugar ponemos el termómetro en contacto térmico con A y anotamos el valor medido
(Gp:) Luego, ponemos el termómetro en contacto térmico con B y anotamos el valor medido
(Gp:) Si las dos lecturas proporcionadas por el termómetro son iguales, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico. Si A y B se ponen en contacto térmico, no habrá transferencia de energía neta entre ellos
Ley cero de la termodinámica Si dos objetos A y B, considerados por separado, están en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces A y B estarán en equilibrio térmico entre sí La importancia de este principio es que nos permite definir el concepto de temperatura Podemos definir la temperatura como la propiedad que determina si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos Dos objetos están en equilibrio térmico si están a la misma temperatura
Termómetros Los termómetros son instrumentos utilizados para medir la temperatura de un objeto o de un sistema con el cuál se encuentran en equilibrio térmico Todos los termómetros hacen uso de alguna propiedad física (propiedad termométrica) que refleja una variación con la temperatura, la cual puede ser calibrada para medir la temperatura El volumen de un líquido La longitud de un sólido La presión de un gas a volumen constante El volumen de un gas a presión constante La resistencia eléctrica de un conductor El color de un objeto caliente
Termómetros que utilizan el volumen de un líquido Los termómetros de uso común contienen un líquido que se expande en un tubo capilar de vidrio al aumentar su temperatura. En este caso, la propiedad física que varía es el volumen del líquido. Si la sección transversal del tubo capilar es constante, la variación del volumen del líquido es lineal con respecto a su longitud a lo largo del tubo. Podemos establecer que la temperatura está relacionada con la longitud de la columna del líquido El termómetro se puede calibrar poniéndolo en contacto térmico con entornos en los que la temperatura permanezca constante y marcando la parte superior de la columna sobre el termómetro. Una vez que hemos marcado nuestro termómetro los extremos de la columna de liquido para los entornos de referencia elegidos, necesitamos una escala numerada asociada a las diferentes temperaturas Cero grados Celsius (0°C) Mezcla hielo-agua en equilbrio térmico a presión atmosférica (punto de fusión o congelación del agua) Cien grados Celsius (100°C) Mezcla agua-vapor de agua en equilbrio térmico a presión atmosférica (punto de vaporización o ebullición del agua) Escala Celsius
Termómetros que utilizan el volumen de un líquido Estos termómetros suelen dar problemas cuando se necesitan medidas muy precisas Un termómetro de mercurio y un termómetro de alcohol calibrados en los puntos de fusión y evaporación del agua solo coinciden en los puntos de calibración Esto se debe a las distintas propiedades de expansión térmica del mercurio y del alcohol. Las diferencias son especialmente significativas cuando las temperaturas medidas están lejos de los puntos de calibración.
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es prácticamente independiente de la sustancia utilizada en el termómetro En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica El bulbo de gas se pone en contacto térmico con una mezcla de hielo-agua en equilibrio térmico a presión atmosférica Metemos o sacamos mercurio de la reserva de manera que el volumen de gas confinado sea siempre el mismo (que la columna en A permanezca en el punto de la escala marcado por el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A) indica la presión en el bulbo a 0° C)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es prácticamente independiente de la sustancia utilizada en el termómetro En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica El bulbo de gas se pone en contacto térmico con una mezcla de agua-vapor de agua en equilibrio térmico a presión atmosférica Metemos o sacamos mercurio de la reserva de manera que el volumen de gas confinado sea siempre el mismo (que la columna en A permanezca en el punto de la escala marcado por el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A) indica la presión en el bulbo a 100° C)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es prácticamente independiente de la sustancia utilizada en el termómetro En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica Se representan en una gráfica los valores de presión y temperatura La línea que conecta los dos puntos sirve de curva de calibración para temperaturas desconocidas (experimentalmente se ha demostrado que una relación lineal entre presión y temperatura es una buena aproximación)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es prácticamente independiente de la sustancia utilizada en el termómetro En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica El bulbo de gas se pone en contacto térmico con una sustancia de temperatura desconocida Metemos o sacamos mercurio de la reserva de manera que el volumen de gas confinado sea siempre el mismo (que la columna en A permanezca en el punto de la escala marcado por el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A) indica la presión del gas, y conocida la presión conocemos la temperatura)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de calibración En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica También se pueden utilizar medidas de temperatura utilizando presiones iniciales diferentes a 0°C (Gp:) Si la presión inicial es baja obtendremos una curva diferente como curva de calibración para cada presión inicial (Gp:) Si las curvas se alargan hasta la zona de temperatura negativas…
En todos los casos, independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de la presión inicial, la presión es cero cuando la temperatura es de -273,15 °C
El cero absoluto de temperaturas En todos los casos, independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de la presión inicial, la presión es cero cuando la temperatura es de -273,15 °C (Gp:) Dado que la presión más baja posible es (vacío perfecto) esta temperatura debe representar un límite inferior para los procesos físicos.
Definimos esta temperatura como el cero absoluto de temperaturas
Escala Kelvin de temperaturas En la escala Kelvin de Temperaturas se define el cero absoluto de temperaturas como punto cero (0 K) El valor de un grado en la escala Kelvin se ha elegido para que sea igual al valor de un grado en la escala Celsius Temperatura expresada en escala Celsius Temperatura expresada en escala Kelvin (también denominada absoluta) La única diferencia entre estas dos escalas es un desplazamiento del cero de la escala El cero en la escala Celsius depende de una sustancia particular (agua) en un planeta particular (Tierra) El cero en la escala absoluta es universal
| Página siguiente |