Escala Kelvin de temperaturas
Escala Farenheit de temperaturas Temperatura expresada en escala Farenheit Temperatura expresada en escala Celsius En la escala Farenheit: – punto de fusión del hielo: 32 °F – punto de ebullición del agua: 212 °F
Diferentes escalas de temperatura De las tres escalas de temperatura discutidas, solo la escala Kelvin está basada en un valor cero de la temperatura real Las escalas Celsius y Farenheit están basadas en un cero de temperaturas arbitrario (Gp:) Si la ecuación contiene una diferencia en temperaturas podemos utilizar tanto la escala Celsius como la escala Kelvin
(Gp:) Si en una ecuación encontramos un valor de la temperatura o un cociente de temperaturas, debemos convertir todas las temperaturas a Kelvin
Dilatación térmica de sólidos y líquidos En la mayoría de las sustancias, cuando la temperatura aumenta, el volumen aumenta. A este fenómeno se le conoce como dilatación térmica Aplicaciones: necesidad de incluir juntas de expansión térmica en edificios, vías de ferrocarril, etc.
Dilatación térmica de sólidos y líquidos: coeficiente de dilatación lineal Si la dilatación térmica de un objeto es suficientemente pequeña comparada con las dimensiones iniciales del objeto y si la variación de temperaturas es suficientemente pequeña, entonces podemos aplicar la siguiente aproximación: El cambio que se produce en cualquiera de sus dimensiones es directamente proporcional a la primera potencia en la variación de la temperatura Longitud final Longitud inicial a lo largo de cualquier dimensión Temperatura final Temperatura inicial Coeficiente medio de dilatación lineal para un material dado (Unidades de °C-1)
Dilatación térmica de sólidos y líquidos: coeficiente de dilatación lineal Para la mayoría de las sustancias es positivo, aunque no siempre es así (por ejemplo, la calcita CaCO3 se dilata en una dimensión y se contrae según otra cuando la temperatura aumenta)
Dilatación térmica de sólidos y líquidos: analogía con la ampliación de una fotografía Cuando una sustancia se caliente, por ejemplo una arandela, todas las dimensiones del mismo aumentan (también el radio interior de la arandela) Dado que las dimensiones lineales de los objetos varían con la temperatura, el volumen y el área superficial también varían Un agujero de una pieza de un determinado material se dilata de la misma forma que lo haría una pieza sólida de ese mismo material y que tuviera la misma forma que el agujero
Dilatación térmica de sólidos y líquidos: coeficiente medio de dilatación volumétrica Cuando la temperatura aumenta, la longitud de cada lado aumenta (Gp:) Sea un cubo cuyo lado tiene una longitud inicial y, por lo tanto, un volumen inicial
(Gp:) Como podemos despreciar los dos últimos sumandos
(Gp:) El nuevo volumen es
(Gp:) es el coeficiente medio de dilatación volumétrica
(Gp:) Fórmula válida independientemente de la forma con tal de que sea la misma en todas direcciones
Dilatación térmica de sólidos y líquidos: coeficiente medio de dilatación superficial De forma análoga se puede demostrar que el incremento del área de un objeto debido a la temperatura viene dado por (Gp:) es el coeficiente medio de dilatación superficial
Descripción macroscópica de un gas ideal En un gas las fuerzas interatómicas son muy débiles (incluso pueden considerarse como inexistentes en una buena aproximación) En un gas, no hay una separación de equilibrio para los átomos, y por lo tanto, no podemos definir el “volumen” a una temperatura dada Como consecuencia, no podemos utilizar las expresiones anteriores, puesto que no podemos definir el volumen en el comienzo del proceso Si introducimos un gas en un recipiente, este se expande de manera uniforme hasta ocupar todo el recipiente Por lo tanto, el gas no tiene ni un volumen ni una presión fijas: – volumen: el del recipiente que lo contiene – presión: depende del tamaño del recipiente (Gp:) Objetivo: estudiar las propiedades de un gas a presión y temperatura , confinado en un recipiente de volumen (ecuación de estado)
Descripción macroscópica de un gas ideal: definición de gas ideal Modelo de gas ideal: Un gas ideal es un conjunto de átomos o moléculas que se mueven aleatoriamente, sin ejercer fuerzas entre sí y que ocupan una parte despreciable del volumen del recipiente que los contiene Aproximación muy buena en el caso de considerar gases con baja densidad Experimentalmente, la ecuación de estado de un gas a una presión baja (en la cual la aproximación de gas ideal funciona bien), es relativamente sencilla
Descripción macroscópica de un gas ideal: definición de mol Podemos expresar la cantidad de gas que hay en un volumen determinado en función del número de moles (Gp:) Un mol de una sustancia es la cantidad de sustancia que contiene un número de Avogadro de partículas constituyentes
El número de moles de una sustancia está relacionado con su masa a través de la expresión donde es la masa molar de la sustancia. La masa molar de cada elemento químico es la masa atómica, expresada en gramos/mol
Descripción macroscópica de un gas ideal: ecuación de estado de un gas ideal Supongamos un gas ideal confinado en un recipiente cilíndrico cuyo volumen puede variarse por medio de un émbolo móvil (Gp:) Información experimental: (Gp:) Ley de Boyle: cuando el gas se mantiene a temperatura constante, la presión es inversamente proporcional al volumen
Ley de Charles y Gay-Lussac: cuando el gas se mantiene a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura Estas dos leyes se resumen en la ecuación de estado de un gas ideal
Ecuación de estado de un gas ideal Constante universal de los gases (SI) Temperatura absoluta (K) Número de moles El volumen que ocupa un mol de cualquier gas (supuesto ideal) a presión atmosférica y a una temperatura de 0 °C (273 K) es de 22.4 L Descripción macroscópica de un gas ideal: ecuación de estado de un gas ideal
Ecuación de estado de un gas ideal Descripción macroscópica de un gas ideal: ecuación de estado de un gas ideal (Gp:) Podemos expresar la ley en función del número total de moléculas
(Gp:) donde es la constante de Boltzmann
La energía interna es la energía asociada a los componentes microscópicos de un sistema (átomos y moléculas) cuando se observan desde un sistema de referencia que está en reposo con respecto al sistema. Incluye las energías cinéticas y potencial asociada a los movimientos aleatorios de traslación, de rotación, y vibración de los átomos o moléculas que forman el sistema, así como la energía potencial intermolecular Concepto de energía interna
Concepto de calor (Gp:) El calor es un mecanismo por el que la energía se transfiere entre un sistema y su entorno como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos. También es la cantidad de energía transferida a través de ese mecanismo
No tiene sentido utilizar el término calor a menos que haya habido una transferencia de energía como consecuencia de una diferencia de temperatura
Unidades de calor El caloría (cal) es el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C El calor es es una medida de transferencia de energía y, por lo tanto, su unidad en el SI debería de ser el Julio Sin embargo, antes de que los científicos descubrieran la relación entre los procesos mecánicos y termodinámicos, el calor se definía en función de las variaciones de temperatura que se producían en un objeto Esta definición de caloría (que no hace referencia alguna al agua, sino a una equivalencia entre caloría y Julio, se la conoce como equivalente mecánico del calor
Definición de calor específico La cantidad de energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia cualquiera depende de la sustancia en cuestión (Gp:) Supongamos que se transfiere una cantidad de energía a una masa de una determinada sustancia, cambiando como consecuencia su temperatura en
(Gp:) El calor específico de la sustancia se define como
Las unidades del calor específico son en el SI (J/kg?°C) (Gp:) Podemos expresar la cantidad de energía transferida entre un sistema de masa y su entorno en función de la variación de temperatura resultante
Definición de calor específico: criterio de signos (Gp:) Cuando la temperatura aumenta, y se consideran positivos, lo que corresponde a una energía que entra en el sistema
(Gp:) Cuando la temperatura disminuye, y se consideran negativos, lo que corresponde a una energía que sale del sistema
Valores de calor específico para diferentes sustancias Experimentalmente, los valores de calor específico medidos dependen de las condiciones del experimento. En general, las medidas hechas en condiciones de presión constante son diferentes a las medidas realizadas en condiciones de volumen constante. En sólidos y líquidos, las diferencias suelen ser menores a unos pocos por-ciento
Como medir el calor específico: calorimetría Técnica para medir el calor específico de un líquido o un sólido: 1. Aumentar la temperatura de la sustancia hasta un determinado valor 2. Introducir la sustancia en un recipiente que contenga agua de masa conocida y a una temperatura conocida 3. Medir la temperatura de la combinación cuando se alcanza el equilibrio Si se supone que el recipiente está bien aislado (de manera que no pierda energía en forma de calor ni por ningún otro medio), podemos utilizar el modelo de sistema aislado. A este recipiente se denomina calorímetro (Gp:) Principio de conservación de la energía para este sistema aislado: la energía en forma de calor que transfiere la sustancia más caliente (de calor específico desconocido) es igual a la energía que absorbe el agua
Como medir el calor específico: calorimetría Técnica para medir el calor específico de un líquido o un sólido: (Gp:) Principio de conservación de la energía para este sistema aislado: la energía en forma de calor que transfiere la sustancia más caliente (de calor específico desconocido) es igual a la energía que absorbe el agua
Sustancia cuyo calor específico desconocemos (Gp:) Calor específico (Gp:) Masa (Gp:) Temperatura inicial
Agua (Gp:) Calor específico (Gp:) Masa (Gp:) Temperatura inicial
(Gp:) Temperatura final de equilibrio después de haber combinado sustancia y agua
Como medir el calor específico: calorimetría Técnica para medir el calor específico de un líquido o un sólido: Sustituyendo los valores conocidos en la parte derecha de la ecuación, podemos calcular el calor específico de la sustancia (En este proceso suponemos que la masa de agua es grande, y podemos utilizar un modelo simplificado en el que ignoramos la energía transferida al recipiente)
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