Termodinámica

Temperatura. Propiedades termométricas. Medidas calorimétricas. Calor

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Tema 5 . TERMODINÁMICA I

1.Introducción: conceptos básicos.

2.Conceptos de calor y temperatura.

3.Propiedades termométricas.

4.Escalas de temperatura.

5.Dilatación de sólidos y líquidos.

6.Cantidad de calor. Calor específico.

7.Calor latente y calor de reacción.

8.Medidas calorimétricas.

  • INTRODUCCIÓN : CONCEPTOS BÁSICOS.

    • Termodinámica:Parte de la física que estudia las transformaciones de calor en trabajo mecánico y viceversa.

    • Sistema: Objeto del análisis que se pretende realizar.

    • Entorno: Todo lo que se encuentra fuera del sistema pertenece al entorno o ambiente. P.e (cuanto un sistema, como un entorno puede ser una base al hervir.)

    • Frontera o pared: Límite especifico que separa al sistema del entorno y a través de la cual tiene lugar la interaciones entre el sistema y su entorno.

    -Clasificación de paredes (atendiendo a cambios):

    Respecto a un ......

    SI

    NO

    Cambio de volumen

    Móvil

    Rígida

    Flujo de calor

    Diatérmica

    Adiabática

    Flujo de materia

    Permeable

    Impermeable

    -Sistema cerrado: Si la misma colección de materia reside dentro de la frontera del

    sistema durante el periodo de observación.

    -Sistema abierto :región del espacio a traves de cuyas fronteras pueden ocurrir

    trasferencias de energía y materia.

    -Sistema aislado :sistema cerrado que no interaciona de ninguna forma con el entorno.

    -Sistema termodinámico:es una región del espacio o colección fija de materia

    encerrado por un frontera real o imaginaria.

    -Estado de un sistema: este se conoce si se determinan los valores de las porpiedades

    tales como ; masa, volumen, energía,temperatura y presión.

    -Proceso:transformación de un estado a otro , un sistema ha sufrido un proceso cuando

    una de sus propiedades ha cambiado de valor.

    -Ciclo termodinámico: secuencias de procesos que empieza y termina en el mismo

    estado.

    -Fase de un sistema: cantidad de materia que es homogénea en toda sus estensión , tanto como en la composición química como en su estructura física.

    2.CONCEPTO DE CALOR Y TEMPERATURA.

    -El principio cero de la termodinámica:

    - Si dos objetos están en qeuilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio

    térmico entre sí.

    -La definición de calor se puede hacer a travez de la teoría cinética:

    Las moléculas de un cuerpo poseen un movimiento de agitación desordenado, cuando

    se comunica calor a un cuerpo lo que se está haciendo es comunicarle energía a sus

    moléculas en formas desordenadas . La suma de las energías internas de las moléculas

    en forma desordenadas constituyen la denominada energía interna( U ) que poseen los

    cuerpos.

    La temperatura es el nivel de agitación molecular y está ligada a la energía media que

    poseen las moléculas en sus movimientos desordenados, define el valor medio de la

    agitación de todas las partículas.

    La temperatura es una magnitud que tiene un sentido estadístico aplicable a un

    conjunto muy númeroso de moléculas.

    Energía Interna n" i=1 Ui

    Temperatura U/n = T

    Energía calorífica o calor Q : Parte de la energía interna que pasa de unos cuerpos

    a otros en virtud de la diferencia de temperatura.

    3.PROPIEDADES TEMOMÉTRICAS.

    -Una propiedad física que varía con la temperatura se llama termométrica.

    -Termómetro: sistema indicador del equilibrio térmico entre él y todos los

    restantes sistemas.

    La lectura del termómetro es la lectura de la temperatura de todos los sistemas

    térmicos en equilibrio con él.

    Todos los termómetros se basan en alguna propiedad termométrica.

    -Las propiedades termométricas deben sadisfacer seis condiciones:

  • Condición de invarianza: Los valores de las propiedades termométricas solo deben ser función de la temperatura.

  • Condición de uniformidad: Debe existir una relación biúnvoca entre el valor de la propiedad termométrica y el valor asignado a la temperatura.

  • Condición de equilibrio: El termómetro utilizado debe de ser de tamaño reducido a fin de no perturbar significativamente el sistema.

  • Condición de reproducibilidad:Distintos termómetros que emplen las mismas condiciones deberán indicar las mismas temperaturas.

  • Condición de inercia: La propiedades termómetricas no deberán comportar inercias significativas en su variaciones.

  • Condición de amplitud: El intervalo de utilización de un termómetro deberá ser suficientemente amplio.

  • 4.ESCALAS DE TEMPERATURA.

    -Como la temperatura es el nivel de agitación molecular se desprende que debe existir un cero absoluto de temperatura que correspondería una agitación nula de modo que no caben esperar temperaturas inferiores.

    TRANSFORMACIONES DE

    ESCALAS DE TEMPERATURAS

    RELACIONES

    T= T + 273´15

    Celius - Kelvin

    T (R) =1´8 T (K)

    Rankine - Kelvin

    T (F) =T( R) - 459´67

    Fahrenheit - Rankine

    T(F) = 1´8 T ( C ) + 32

    Fahrenheit - Celsius

    5. DILATACIÓN DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS.

    -Salvo pocas excepciones el volúmen de los cuerpos aumenta al elevarse su temperatura, si permanece constante la presión ejercida sobre ellos.Cuando se eleva sus temperatura aumenta la agitación térmica de sus moléculas, y por lo tanto es de esperar que el cuerpo se dilate.

    -Esperimentalmente se ha demostrado que los cuerpos sufren un aumento en

    sus dimensiones que es proporcional al incremento de la temperatura.

    • Dilatación de los sólidos:

    -Dilatación líneal:

    L F = l0 ( 1 +  T )

    = coeficiente de dilatación.

     aluminio = 8 " 10-5 K-1

     platino = 2´7" 10-5 K-1

    -Dilatación superficial:

    S F = S0 ( 1 +2 T)

    -Dilatación cúbica:

    V F = V0 (1+3T)

    • es el coeficiente de dilatación cúbica.

    • Dilatación de los líquidos:

    Siempre tiene lugar en volumenes

    V F = V0 (1+3T)

    6.CANTIDAD DE CALOR. CALOR ESPECÍFICO.

    -Hemos visto que cuando pasa calor de un cuerpoa otro, lo que se transfiere es energía. La unidad de calor en el sistema cegesimal es la caloría definida como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14´5 a 15´5 Cº.

    1 caloría = 4´18678 Julios

    1 kilocaloría = 1000 calorías

    -Frigoria utilizada como unidad en la industria del frio corresponde al desprendimiento de una kilocaloría.

    -El calor inetercambiado entre un sistema y sus alrededores puede ponerse de manifiesto mediante 2 efectos:

    1º.Cambio de la temperatura del sistema aunque sus estado físico y químico

    no se vea alterado.

    2º.Se modifica el estado físico y/o del sitema pero la temperatura permanece

    constante.

    -La capacidad calorífica de un sistema se define como la cantidad de calor necesario para incrementar en un grado kelvin o Celsius su temperatura.

    -El calor específico de una sustancia se define como la capacidad calorifica referida a la unidad de masa.

    Ce = (1/m) " (dQ/dt)

    -La cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo para elevar sus temperatura en un pequeño intervalo finito será:

    Q = m " Ce "t

    -Los calores especificos de los sólidos o líquidos están comprendidos generalmente entre :

    0.03 y 0.5 cal/gºK

    -Con algunas excepciones como la del H2O.

    7.CALOR LATENTE Y CALOR DE REACCIÓN.

    -Si ocurre un cambio de estado el calor comunicado a un cuerpo no se emplea en aumentar su temperatura si no en ir produciendo dicho cambio de estado.

    -Si se trata por ejemplo del hielo a 0 Cº al comunicarle calor esta energía se emplea een liberar moléculas, es decir en romper los enlaces que las mantenian unidos ( estado sólido) y dejarlas en libertad de desplazamiento ( estado líquido). Este proceso requiere energía ocurre que el calor necesario para producir uncambio de estado de una masa dada de una sustancia es una cantidad fija y determinada y si tiene lugar el cambio inverso se devuelve la misma cantidad. A este calor se le llama calor latente de transformación.

    Cambios de Estado

    Subtimación

    Fusión Vaporización

    Sólido Líquido Gas

    Sodificación Condensación

    Cristalización

    8. MEDIDAS CALORIMETRAS.

    En muchos casos se precisa medir cantidades de calor.( p.e. para determinar calor especifico o calor latente de una sustancia.)

    - Las medidas calorimetras se basan en :

    1º. Si dos cuerpos en un recinto aislado intercambian unicamente calor, la cantidad de calor que pierde uno es exactamente igual a la que gana el otro.

    2º.Si no hay producción o absorción de trabajo la cantidad de calor que absorbe un cuerpo para elevar su temperatura la devuelve integra si se enfría de nuevo a su temperatura inicial.

    (Calorímetro)

    8.1 MÉTODOS DE LAS MEZCLAS.

    Un calorímetro es un sistema formado por dos vasos de paredes

    plateadas separados por una capa de aire.El vaso mayor lleva una tapa

    de madera con dos perforaciones, una para insertar un termómetro y

    otra para dejar pasar un agitador. El aire y la madera son malos

    conductores de calor , es decir buenos aislantes, mientras que la

    radiación es reflejada por las paredes especularesde dos recipientes.Así

    queda termicamente aislado del vaso interior y aquello que en él se

    coloque.Esteaparato es muy utilizado.

    -El material a cierta temperatura es introducido al calorímetro el cual

    contiene un líquido calorímetro, generalmente agua.Cuando un cuerpo a

    diferente temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el

    calorímetro , se produce una cesión de calor, entre ambos hasta que se

    alcanza el equilibrio térmico.El termómetro permite leer las

    temperaturas iniciales y finales del agua y con un ligero movimiento del

    agitador se consigue una temperatura uniforme.

    -El equivalente en agua del calorímetro es igual a la masa de agua que absorvería la cantidad de calor que el sistema formado por el vaso el termómetro y el agitador para igual intervalo de temperatura. Si en el proceso ocurre cambios de estado, hay que tener en cuenta el calor latente en el balance térmico.Por otra parte especifico de otra sustancia es muy diferente según se encuentre en estado líquido , sólido y gaseoso.