Cuando suministramos calor (Qs) a la barra de plomo en primer momento notaremos que la temperatura se incrementa, esto significa que la energía cinética de las moléculas está aumentando y por lo tanto aumenta la energía interna (U) del plomo. En un segundo momento cuando el plomo llega a una temperatura de 325ºC, tal temperatura se mantiene constante a pesar que se le sigue suministrando calor observándose que el plomo empieza a derretirse, es decir fusionar. ¿Por qué no cambia la temperatura suministrando calor, cuando se encuentra a 325ºC? Es porque el calor suministrado es absorbido por el plomo para romper los enlaces intermoleculares, separándose las moléculas es decir el calor suministrado pasa a incrementar la energía potencial de las moléculas más no a incrementar la energía cinética por consiguiente la temperatura aumenta, entonces decimos que el plomo está cambiando de fase sólida a fase líquida. ¿Cómo se llama a la cantidad de calor necesario para que una sustancia cambie de fase? Se le llama “Calor de Transformación” (QT), para nuestro caso en condiciones de saturación (T = 325ºC, P = 1ATM). En el caso I, necesitamos suministrarle mayor calor de transformación que en el caso II, debido a que en el calor I, la barra de plomo tiene mayor masa.
Por ejemplo:
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2.
3. Significa que por cada gramo de agua le debemos entregar o sustraer 80Cal a condiciones de saturación para que cambie de fase.
PRACTICA DIRIGIDA Se observa que 200g de aceite, descienden su temperatura en 7ºC cuando piden 0,7 Kcal ¿Cuál es el calor específico del aceite? Rpta. ……………………….
Se tiene su calorímetro de cobre de 300g (Cecu = 0,19 cal/gºC) ¿Cuál es el equivalente en agua de dicho calorímetro? Rpta. ……………………….
Cierta cantidad de aceite incrementa su temperatura en 12ºC cuando se le suministran 300Cal; si a esta misma cantidad de aceite le quitamos 200cal de su energía interna ¿En cuánto disminuirá su temperatura inicial?
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8. Rpta. ……………………….
¿Cuál es la temperatura en la mezcla de 50g de agua a 20ºC con 50g de agua a 70ºC. si el recipiente en el cual se vierten no gana ni pierde calor? Rpta. ……………………….
Se tiene 5g de hielo a 0ºC ¿Cuál será su temperatura final si se le proporcionan 400 calorías? Rpta. ……………………….
Determine la cantidad de calor necesario para llevar 50g de hielo a –10ºC hasta vapor de agua a 100ºC (CeHielo = 05,cal/gºC) Rpta. ……………………….
Un recipiente de una masa despreciable contiene 500g de agua a 80ºC ¿Cuál debe ser la cantidad de hielo a –20ºC que se debe colocar en el agua para que la temperatura final sea 50ºC (Dar una respuesta aproximada)?
Rpta. ……………………….
Halle la capacidad calorífica de una sustancia si al entregársele 0,3 Kcal eleva su temperatura desde 15º hasta 35ºC b) 15cal/ºC d) 30 cal/ºC a) 10 cal/ºC c) 25 cal/ºC e) 50 cal/ºC 9. Se muestra la curva del calentamiento de una sustancia desconocida, si la muestra es de 50g ¿Cuál es la capacidad calorífica específica? 10. Si el equivalente en agua de un calorímetro es 300g. Hallar el valor de su masa si el material del cual esta construido tiene una capacidad calorífica específica de 0,75 cal/gºC?
a) 400gb) 200 c) 800 d) 300 e) 500
11. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se mezclan 70g de aceite a 50ºC con “m”g del mismo aceite pero a 10ºC obteniéndose una temperatura final de 35ºC. Hallar “m”.
a) 45g b) 42 g c) 40 d) 36 e) 30 12.
13. Dos cubos del mismo material se ponen en contacto, uno a 100ºC y el otro de 10ºC. Si sus aristas son “e” y “2e” respectivamente. ¿En cuanto se incrementó la temperatura del segundo cubo?
a) 10ºCb) 20ºCc) 30ºC d) 40ºCe) 50ºC
Se tiene el gráfico temperatura-calor, suministrado para una muestra de 6g de cierto material, se pide el calor latente de fusión. 14. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se tiene un bloque de hielo de 2,2Kg a 0ºC. Calcular a que temperatura se debe poner en contacto con el hielo, una bola de fierro de 8 Kg de masa, para lograr derretir el hielo en forma exacta (CeFE=0,11 Cal/gr) b) 170ºC d) 225ºC a) 150ºC c) 200ºC e) 252ºC 15.
16. En un calorímetro de capacidad calorífica nula se introducen 500g de agua a 0ºC, 100g de hielo a 0ºC y 200g de vapor de agua a 100ºC. Hallar la masa de vapor en el equilibrio, aproximadamente.
a) 74g b) 78g c) 72g d) 70g e) 76g
Se tiene 20g de hielo a 0ºC ¿Cuánto trabajo se debe efectuar para fundirlo completamente? b) 6954J d) 4866J a) 6688J c) 5972J e) 7220J
* ¿Qué es la Dilatación Térmica? Es aquel fenómeno físico que experimentan los cuerpos cuando la separación relativa entre sus moléculas se incrementa, debido a incrementos de temperatura. Salvo excepciones, las sustancias en todas sus formas, sólido, líquido y gas se dilatan (expanden) al aumentar de temperatura. Considerando las dimensiones de los cuerpos, la dilatación térmica puede ser: 1º Lineal. De una sola dimensión Dilatación térmica
INTRODUCCIÓN Sabemos que todo cuerpo está constituido por moléculas que se encuentran en constante movimiento e interacción. Para describir tal comportamiento se utiliza en forma práctica el modelo mecánico-molecular, en el cual las moléculas en constante movimiento están ligadas entre sí por resortes microscópicos que continuamente se deforman, indicando esto la interacción.
BARRA METÁLICA
MODELO MECÁNICO MOLECULAR
¿Qué sucede si la temperatura de la barra se va incrementando? Sus moléculas van incrementando sus oscilaciones, lo que permite que la distancia relativa entre ellas se incremente y como consecuencia, las dimensiones de la barra empiezan a incrementarse (expandirse). En conclusión: al aumentar la temperatura, la barra se dilata (expande).
2º Superficial: De dos dimensiones 3º Volumétrico: De tres dimensiones:
0,000018ºC y 0,000012ºC EJEMPLOS DE APLICACIÓN Calcular las longitudes en cm de una varilla de latón y una varilla de hierro para que tengan una diferencia de longitud constante de 5 cm a todas las temperaturas. Los coeficientes de dilatación lineal del latón y del hierro son: -1 -1 Respectivamente. Solución Para que la diferencia de longitudes sea la misma a cualquier temperatura, deberán experimentar ambas varillas igual cambio en sus longitudes; es decir, si ambas aumentan o disminuyen su longitud en la misma medida, la diferencia de sus longitudes será siempre la misma. Luego:
TERMODINÁMICA ¿Qué estudia la termodinámica? El intercambio de energía entre sistemas que interactúan térmicamente. En nuestro caso, un sistema sería un gas ideal, otro sistema sería el recipiente que lo contienen y otros sistemas serían las sustancias que rodean al gas ideal. ¿Los gases ideales tienen energía potencial? No, porque a nivel molecular la separación relativa entre las moléculas es muy grande, lo que significa que las interacciones entre ellas son despreciable. El gas ideal es un sistema El bloque es un sistema
Como las moléculas están en constante movimiento, significa que la energía asociada a un gas ideal es cinética, luego: Si la temperatura de un gas ideal se incrementa, sus moléculas presentan mayor rapidez (V) y por lo tanto mayor energía cinética, lo que significa mayor energía interna.
CONCEPTOS PRELIMINARES 1.
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5. Sistema Termodinámico Porción de materia que separemos imaginariamente, del medio externo a ella y la cual interacciona con su medio ambiente y como consecuencia de la cual se da una transferencia de calor. Sustancia de Trabajo Sustancia empleada como medio de transporte del calor así como de intermediario en la transformación de calor en trabajo. Usualmente es un gas. Energía Interna (U) Energía de un cuerpo la cual está relacionada con el movimiento térmico de las moléculas que lo forman. Si no hay cambio de fase, la energía interna es una función de la temperatura absoluta por lo que el cambio de energía interna solo depende de la temperatura del estado final y la del estado inicial pero no de la forma como se ha pasado de estado inicial al final. Proceso termodinámico Sucesión de estados por los cuales se hace pasar un sistema con la finalidad de transformar calor en trabajo. El estado de un sistema esta determinado por el conjunto de propiedades que posee en un momento dado. Estas propiedades se determinan por ciertas magnitudes, que determinan el comportamiento del sistema, denominadas variables de estado. Ciclo Termodinámico Es una sucesión de procesos la cual permite evolucionar a un sistema de estado inicial (I) hacia un estado final (F) y volver al inicial de manera que durante la realización del ciclo parte del calor suministrado se convierte en trabajo. Como el sistema vuelve a su estado inicial se tiene que el cambio neto de energía interna es nulo y el trabajo neto. La suma de los trabajos realizados en cada uno de los procesos. El trabajo neto se representa por el área encerrada por el ciclo en el plano P.V.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA CALORES ESPECÍFICOS DE LOS GASES El calor necesario para elevar la temperatura de un gas depende de como se halle confinado. Por ejemplo si el volumen se mantiene constante el calor recibido por el gas se convierte totalmente en energía interna elevando por lo tanto la temperatura. Debido a esto para un gas se distinguen 2 calores específicos:
¿Cómo podemos variar la energía interna de un gas ideal? Variando su temperatura, lo cual se logra suministrándole o extrayéndole energía. CASOS:
TRABAJO REALIZADO POR UN GAS IDEAL Cuando un gas confinado en un recipiente experimenta un proceso de expansión o compresión desarrolla o consume respectivamente un trabajo el cual depende de la forma como varíe la presión y volumen del gas, es decir del proceso realizado. Para cualquier proceso el trabajo queda representado por el área encerrado por la gráfica del proceso en el plano P-V y el eje de los volúmenes, teniéndose los casos:
PROCESO TERMODINÁMICOS SIMPLES: OBSERVACIONES: 1.
2. 3. Como el cambio de energía interna solo depende del estado final e inicial, siempre se puede relacionar con el cambio de energía interna en un proceso isocoro entre las mismas temperaturas:
La isoterma (en el plano P-V) es una curva simétrica respecto a la bisectriz del primer cuadrante. La adiabática es una curva más inclinada que la isoterma, es decir, su pendiente varía más rápidamente. Ejemplo de Aplicación En el proceso indicado, las temperaturas en el estado (1) y (2) son iguales. Si el calor transferido en el proceso es 90 kJ; calcular la presión en el estado 1, sabiendo que la presión en el estado 2, es 40 kPa.
MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ¿Qué es una máquina térmica? Es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía como la energía eléctrica y mecánica. Dispositivo diseñado con la finalidad de trasformar calor en trabajo, para lo cual la máquina sigue un ciclo termodinámico. ¿Cuál es la función de una máquina térmica? Que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual: 1. 2. 3. Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura La máquina realiza un trabajo, y Libera calor a una fuente de temperatura más baja. En una máquina de vapor, como ejemplo de un proceso cíclico, el agua es la sustancia de trabajo. Toda máquina térmica se puede representar por el esquema:
Donde la desigualdad caracteriza las máquinas reales y la igualdad a las perfectas o ideales.
Eficiencia Térmica (n) La eficiencia de una máquina térmica (E) se obtiene mediante la relación entre el trabajo realizado y la energía recibida del foco caliente. Segunda Ley de Termodinámica Como se ha visto, la primera ley es una aplicación de la conservación de la energía, pero no afirma nada respecto al curso que toman los acontecimientos en el universo. Se conserva la energía cuando cae una piedra y su energía potencial gravitatoria se transforma en cinética. Pero al chocar la piedra con el suelo y al llegar al reposo, su energía cinética se transforma en energía térmica. Sin embargo, una piedra que se encuentra en reposo sobre el suelo nunca cambia la energía térmica de ella y de la vecindad en energía cinética y sale disparada hacia arriba. La primera ley no excluye esta posibilidad ya que este proceso inverso también conserva la energía. Pero tal proceso no ocurre. Hay otros procesos en el universo que no están excluidos por la primera ley que no ocurren. Por ejemplo, en forma espontánea el calor fluye de un cuerpo caliente a otro, frío pero no espontáneamente del cuerpo frío
al caliente. Esto nos indica que en la naturaleza los procesos se presentan en una sola dirección en forma espontánea; la segunda ley ha sido formulada en varias formas, todas ellas equivalentes. Una de las más antiguas establece: El calor fluye espontáneamente de un objeto caliente a otro frío y no a la inversa”. En virtud de esto, es imposible que en un proceso cíclico se transfiera calor de un cuerpo de baja temperatura a un cuerpo de alta temperatura a menos que se efectúe un trabajo externo sobre el sistema que efectúa el ciclo.
CONCLUSIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1.
2. Es imposible tomar calor de un recipiente y convertirlo completamente en trabajo sin que efectúen otros cambios en el sistema o en sus alrededores. Es imposible para cualquier proceso tener como único resultado la transferencia de calor desde un cuerpo frío a uno caliente. Ejemplos de Aplicación En una máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot, el calor rechazado por el foco frío equivale a la cuarta parte del calor que absorbe la máquina. Si la temperatura del foco frío es 7ºC, calcular la temperatura del foco caliente. Solución Por dato: Ciclo de Carnot Ciclo teórico que le permite a una máquina ideal transformar la mayor cantidad de calor en trabajo, es decir, es el ciclo de máxima eficiencia. Está constituido por dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos.
Cuando una máquina térmica trabaja con este ciclo, obtiene un trabajo neto máximo, con una cantidad de calor suministrada a la sustancia de trabajo. Se observa que en este ciclo ?U = 0. La eficiencia máxima que se logra en este ciclo se determina por: PRACTICA DIRIGIDA
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5. El gas en un recipiente de capacidad calorífica despreciable se le transfiere 600J. Si dicho gas desarrolla un trabajo de 400J, determine en cuánto varió su energía interna. Rpta. ……………………….
Una máquina de vapor tiene una caldera que opera a 500ºK. El calor cambia el agua a vapor, el cual mueve un pistón. La temperatura de escape es la del aire exterior aproximadamente 300ºK. Determine la máxima eficiencia térmica de ésta máquina de vapor. Rpta. ……………………….
Una máquina térmica trabaja con un ciclo de carnot entre 227ºC y 127ºC durante el cual absorbe 2,5 3 Rpta. ……………………….
Electrostática OBJETIVO: Conocer la carga eléctrica y algunos fenómenos relacionados con ella. Carga eléctrica
A la propiedad que presentan los electrones y protones y que nos permite explicar su atracción y/o repulsión le llamamos CARGA ELECTRICA Por convención al electrón se le asocia carga negativa y al protón positiva * Un cuerpo se electriza cuando gana o pierde electrones. PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA P P N N e
Leyes de Electrostática
Campo Eléctrico ¿Entre partículas eléctricas cómo es posible la fuerza de atracción o repulsión? Esta es posible porque a cada cuerpo se le asocia un medio denominado CAMPO ELECTRICO. + + Fe Fe Q q
El campo eléctrico es materia no sustancial que se asocia a todo cuerpo electrizado la cual trasmite la interacciones eléctricas. ¿Cómo representamos el campo eléctrico asociados a cuerpos electrizados? Para ello faraday idea las “Líneas de Fuerza” o “Línea de Campo Eléctrico”, colocando cargas de prueba “q” en el campo que se analiza. ¿Cómo caracterizamos en cada punto el campo eléctrico debido a la “Fe” que transmite?
OBSERVACIONES
4.Las líneas de fuerza es Dp a la larga de la partícula que la genera.
Homogéneo o Uniforme, donde la E 7.Cuando las líneas de Fuerza son //, se tiene el Campo Eléctrico permanece constante.
Ejem : Dos esferitas electrizadas con -4uc – 6uc están separados a una gran distancia, determine Ud. el W que se debe realizar para que estén separados 12 cm, desprecie efectos gravitatorios.
Potencial Eléctrico (V) Veamos que sucede al colocar a qo dentro del campo eléctrico de “Q”
OBSERVACIÓN 3º Aquellos puntos donde el Potencial eléctrico tiene un solo valor se denomina “SUPERFICIE EQUIPOTENCIAL”.
5º Para trasladar lentamente se emplea un agente externo.
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