Download DQ = DW + DU - liceo integrado de zipaquira

Temperatura y expansión
Capítulo 16
Física Sexta edición
Paul E. Tippens








Temperatura y energía térmica
La medición de la temperatura
El termómetro de gas
La escala de temperatura absoluta
Dilatación lineal
Dilatación de área
Dilatación de volumen
La dilatación anómala del agua
Temperatura y energía térmica
La energía térmica representa la energía interna total de
un objeto: la suma de sus energías moleculares potencial
y cinética.
Cuando dos objetos con
diferentes temperaturas
se ponen en contacto, se
transfiere energía de uno
a otro.
Se dice que dos objetos
están en equilibrio térmico
si y sólo si tienen la misma
temperatura.
El calor se define como la transferencia de energía térmica
debida a una diferencia de temperatura.
La medición de la temperatura
Un termómetro es un dispositivo que, mediante una escala
graduada, indica su propia temperatura.
Los puntos fijos
superior e inferior
fueron necesarios
para establecer la
gradación de los
termómetros.
El punto fijo inferior (punto de
congelación) es la temperatura a la cual
el agua y el hielo coexisten en equilibrio
térmico bajo una presión de 1 atm.
El punto fijo superior (punto de
ebullición) es la temperatura a la
cual el agua y el vapor coexisten en
equilibrio bajo una presión de 1 atm.
t C  95  t F  32
t F  95  t C  32
El termómetro de gas
El termómetro
a volumen constante
El termómetro
a presión constante
Presión
La escala de temperatura absoluta
Cero absoluto
-273°C
0K
Temperatura
0°C
100°C
(punto de
(punto de
congelación) ebullición)
273 K
373 K
TK  t C  273
0Temperature
El cero absoluto en la
escala Rankine es -460° F
Dilatación lineal
L0
t0
DL
Dt
DL  L0 Dt
t
L
Linear coefficient of expansion
DL

L 0 Dt
Dilatación de área
DA  A 0 Dt
donde:
DA = cambio en el área
 = coficiente de dilatación de área
A0 = área original
Dt = cambio en la temperatura
Dilatación de volumen
DV
V0
DV  V0 Dt
donde:
DV= cambio en el volumen
 = coeficiente de dilatación de volumen
V0 = área original
Dt = cambio en la temperatura
V
La dilatación anómala del agua
La densidad del agua,
y por lo tanto su
volumen, se dilatan
con cambios en la
temperatura sobre
y debajo de 4ºC.
Conceptos clave
•
•
•
•
•
•
Energía térmica
Temperatura
Equilibrio térmico
Termómetro
Punto de
congelación
Punto de ebullición
•
•
•
•
•
•
Escala Celsius
Escala Fahrenheit
Cero absoluto
Escala Kelvin
Escala Rankine
Coeficiente de
dilatación lineal
Resumen de ecuaciones
t C  95  t F  32 t F  95  t C  32
TK  t C  273
TR  t F  460
L  L0  L0 Dt
A  A 0  A 0 Dt
V  V0  V0 Dt
DL  L0 Dt
DA  A 0 Dt
DV  V0 Dt
DL

L0 Dt
  2
  3
Cantidad de calor
Capítulo 17
Física Sexta edición
Paul E. Tippens
 El significado de calor
 La cantidad de calor
 Capacidad de calor específico
 La medición del calor
 Cambio de fase
 Calor de combustión
La cantidad de calor
Una caloría (Cal) es la cantidad de
calor necesaria para elevar la
temperatura de un gramo de agua un
Una kilocaloría
es la cantidad
grado(kcal)
Celsius.
de calor necesaria para elevar la
1 kcal =de
temperatura de un kilogramo
1000 Cal
agua un grado Celsius.
Una unidad térmica británica (Btu)
es la cantidad de calor necesaria
para elevar la temperatura de una
libra patrón (lb) de agua un grado
La capacidad de calor específico
La capacidad
Q
heat capacity 
calorífica de un cuerpo
Dt
es la relación del calor
suministrado con
respecto a l
Elcorrespondiente
calor específico
Q
de un
material es
incremento
dela c  mDt
cantidad
de calor
temperatura
del
necesaria
para
cuerpo.
elevar un grado la
temperatura de una
La medición de calor
Principio de equilibrio térmico:
siempre que los objetos
se coloque juntos en un ambiente
aislado, con el tiempo alcanzarán la
La dirección
de transferencia de
misma temperatura.
energía térmica siempre
Conservación
de la
energíaa los fríos.
es de los cuerpos
calientes
térmica:
El calor que pierde calor
el cuerpo
perdido =
caliente es igual
calor ganado
Cambio de fase
El calor latente de fusión Lf
de una sustancia
es el calor por unidad de
masa necesario para
El calor
de de la
cambiar
la latente
sustancia
vaporización
fase
sólida a laLlíquida
a su
v de una
sustancia
es el calor
por
temperatura
de fusión.
unidad de masa necesario
para cambiar la sustancia
de líquido a vapor a su
temperatura de ebullición.
Q
Lf 
m
Q
Lv 
m
Calor de combustión
El calor de combustión es la cantidad
de calor por unidad
de volumen o de masa cuando una
sustancia se quema completamente.
Conceptos clave
• Calor
• Temperatura
• Caloría
• Unidad térmica
británica
• Equivalente
mecánico
del calor
• Capacidad
• Fusión
• Punto de
fusión
• Calor latente
de fusión
• Vaporización
• Punto de
ebullición
• Calor latente
Resumen de ecuaciones
1 Btu = 252 cal =
0.252
kcal
1 Btu =
778 ft•lb
1 cal =
4.186 J
1heat
kcal
lost =
 heat gained
J    mcDt gain
mcDt loss
 4186
Q
Lf 
m
Q  mL f
Q
Lv 
m
Q  mL v
Transferencia de calor
Capítulo 18
Física Sexta edición
Paul E. Tippens
 Métodos de transferencia de
calor
 Conducción
 Aislamiento: el valor-R
 Convección
 Radiación
Métodos de transferencia de calor
Conducción es el proceso por el cual
se transfiere energía térmica mediante
colisiones de moléculas adyacentes a
Convección es el
proceso por el cual
través
calor por
deseuntransfiere
medio material.
Elmedio
mediodel
en sí
movimiento
de lamediante
masa de un
se mueve.
Radiación
esno
elreal
proceso
el
fluido. por medio
cual el calor se transfiere
de ondas electromagnéticas.
Conducción
Conducción es el proceso por el cual
se transfiere energía térmica mediante
colisiones de moléculas adyacentes a
través
La conductividad térmica
de undemedio
material.
El
medio
en
sí
una sustancia
no
se
mueve.
es una medida de su
capacidad para conducir
el
Unidades
SI:
calor y seQL
define por
medio o W/m•K
J/s•m•°C
k  esta relación.
de
ADt
USCS: Btu• in/ft2 •
h•°F
Aislamiento: el valor-R
El valor-R de un material L
R
se define
k
como la relación entre su
espesor
La cantidad
de calor que
y su
conductividad
Q
ADt
fluye
por unidadtérmica.
de

tiempo a través de dos o  i R i
más materiales de
diferente espesor
es proporcional a su área
y diferencia
de temperaturas, e
Convección
Convección es el proceso por el cual
se transfiere calor
por
medio
del
movimiento
real
de
la
La cantidad de calor
Q
H   hADt
masa
de
un
fluido.
(H) que

se transfiere por
El
convección
término
h
es proporcional al
es
el
área y a la
coeficient
diferencia de
e
de
temperaturas.
convecci
Radiación
La radiación térmica está formada por
ondas electromagnéticas emitidas por
unabsorbedor
sólido, un líquido
o un
gas en
Un
ideal o un
radiador
irreal virtud
son otra
de llamar a los
deforma
su temperatura.
cuerpos negros.
La radiación
emisividad
es unapor
medida
de la
La
emitida
un cuerpo
capacidad
un cuerpo
negro
se llamaderadiación
depara
cuerpo
absorber o emitir
radiación térmica.
negro.
Radiación
P
R   esT 4
A
Ley de
Stefandonde:
Boltzmann:
R = energía radiada por unidad de tiempo por unidad
de área
e = emisividad de la superficie
0-1
s  constante de Stefan 5.67 x 10-8 W/M2 • K4
T4 = temperatura absoluta a la cuarta potencia
Un cuerpo a la misma
temperatura que sus
alrededores irradia y

R  es T14  T24

Conceptos clave
• Conducción
• Conductividad
térmica
• Convección
natural
• Convección
forzada
• Coeficiente de
• Cuerpo negro
• Emisividad
• Ley de StefanBoltzmann
• Constante de
Stefan s
• Ley de Prevost
Resumen de ecuaciones
QL
k
ADt
Q
H   hADt

L
R
k
Q
ADt

 i R i
P
R   esT 4
A

R  es T14  T24

Propiedades térmicas de la materia
Capítulo 19
Física Sexta edición
Paul E. Tippens
 Gases ideales y ley de Boyle
 Ley de Gay-Lussac
 Ley general de los gases
 Masa molecular y mol
 La ley del gas ideal
 Licuefacción de un gas
 Vaporización
 Presión de vapor
Gases ideales y ley de Boyle
Ley de Boyle:
Cuando un gas se
Siempre que la
comprime
masa y la
a temperatura
temperatura de
constante,
el
La temperatura
y la masa son
una muestra de P1V1producto
 P2 V2
de
su
constantes
gas se mantengan
presión por su
constantes, el
volumen siempre
Ley
de
Charles:
V1 V2
volumen de dicho
es
constante.

Mientras
que
la
masa
y
T1 T2
gas es
la
presión
de
inversamente
La
masa
y
la
un
gas
se
mantengan
proporcional a su
constantes, el volumen presión son
Ley de Gay-Lussac
Ley de Gay-Lussac:
Si el volumen de una
muestra de
gas permanece
constante, la presión
de dicho gas es
directamente
proporcional a su
temperatura absoluta.
P1 P2

T1 T2
Con la
masa
constante
Ley general de los gases
P1V1 P2 V2

T1
T2
P1V1 P2 V2

m1T1 m2 T2
La masa
permanece
constante
P1, V1, T1, m1 = presión, volumen,
temperatura y masa en el estado inicial.
P2, V2, T2, m2 = presión, volumen,
temperatura y masa en el estado final.
Masa molecular y mol
La masa atómica de un elemento es
la masa de un átomo
de dicho elemento comparada con la
Lamasa
masademolecular
la suma
un átomoM
deescarbono
decomo
las masas
atómicasde masa
tomado
12 unidades
de todos los átomos
que componen
atómica.
m
n
Una mol eslalamolécula.
masa
M
en gramos
numéricamente igual N = número de moles
m = masa del gas
a la masa molecularM = masa
molecular del gas
de una sustancia.
La ley del gas ideal
Ley del gas
PV  nRT
ideal:
P = presión
V = volumen
n = número de
moles
R = constante
universal de
los gases (8.314
J/mol·K)
Liquefacción de un gas
La temperatura crítica de
un gas es la temperatura por
arriba de la cual el gas no se
licuará, independientemente
de la presión que se aplique.
Vaporización
Una
molécula
cerca
de la
superficie de
un líquido
experimenta
una fuerza
hacia abajo.
Únicamente
Presión de vapor
P
Punto crítico
La presión de
vapor saturado
Agua
de una sustancia
Gas
Vapor
es la presión
de agua
T
adicional
Curva de vaporización para agua
ejercida por las
moléculas de
La
ebullición
se
define
como
la
vapor sobre la
vaporización
dentro
sustancia y sus
de un líquido
alrededores
encuando su presión
de
vapor
es
igual
condiciones de
Punto triple
Una curva de
sublimación
muestra las
temperaturas y
presiones en las
que un sólido
puede coexistir
con su vapor.
REGIÓN
DE LÍQUIDO
Curva
de
REGIÓN fusión
DE
SÓLIDO
Punto
crítico
Curva de
vaporización
REGIÓN
DE VAPOR
Curva de sublimación
Diagrama de fases
del punto triple
Humedad
La humedad absoluta se define
como la masa de agua
por unidad de volumen de aire.
La humedad relativa es
la razón de la presión
real de vapor del aire con
actual vapor pressure
respecto a la presión
de  saturated
relative humidity
vapor pressure
vapor saturado a esa
temperatura.
Conceptos clave
• Gas ideal
• Ley de
Boyle
• Ley de
Charles
• Masa
atómica
• mol
• Masa molecular
• Número de
Avogadro
• Ley de los gases
ideales
• Temperatura
crítica
• Presión de
vapor
Resumen de ecuaciones
P1V1  P2 V2
V1 V2

T1 T2
P1 P2

T1 T2
P1V1 P2 V2

T1
T2
P1V1 P2 V2

m1T1 m2 T2
m
n
M
PV  nRT
Termodinámica
Capítulo 20
Física Sexta edición
Paul E. Tippens
 Calor y trabajo
 Procesos
 Función de la
isotérmicos
energía interna  Segunda ley de la
 Primera ley de la
termodinámica
termodinámica
 Ciclo de Carnot
 El diagrama P-V  La eficiencia de
 Caso general para
una máquina
la
ideal
Calor y trabajo
Se incrementa la
energía interna
de un sistema cuando
realiza un trabajo.
Se incrementa la
energía interna de
un sistema al
proporcionarle
calor al sistema.
Función de la energía interna
Un sistema se encuentra en equilibrio
termodinámico si no
hay una fuerza resultante que actúe
sobre el sistema y si la temperatrua
Función
de
la
del sistema es la misma que la de sus
energía interna,
alrededores.
DU = cambio en la energía interna
DU  D
Q

D
W
U:
DQ = calor neto absorbido por el sistema
DW = trabajo neto realizado por el
sistema sobre sus alrededores
Primera ley de la termodinámica
La energía no puede crearse o
destruirse sólo transformarse
de una forma a otra.
En cualquier proceso termodinámico,
el calor neto absorbido por un sistema
es igual a la suma del equivalente
térmico del trabajo realizado por el
DQ yDel
W cambio
DU DQ = calor
sistema
deneto
energía
absorbido porinterna
el sistema
DW = trabajo neto realizado por el
del mismo.
sistema sobre sus alrededores
DU = cambio en la energía interna
El diagrama P-V
P
P1
P2
V1
V2
Diagrama P-V
Cuando un proceso
termodinámico
implica cambios en
el volumen y/o en la
presión,
el trabajo
DW  realizado
PDV
por el sistema es
igual
al área bajo
Áreala
V
curva en un
bajo la
diagrama curva
P-V. PV
Caso general para la primera ley
Primera ley:
DQ  DW  DU
En el caso más general, de
algún modo las tres cantidades
están involucradas en cambios.
En casos especiales, sólo
una o dos
de las cantidades
involucran cambios.
Procesos adiabáticos
Un proceso adiabático es aquel en el
que no hay intercambio
de energía térmica DQ entre un
De la primera
ley: DQ = DW + DU
sistema
y
sus
alrededores.
Si DQ = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = DW + DU
Por lo tanto, DW = -DU
DW =
-DU
Procesos isocóricos
Un proceso isocórico es aquel en el
que el volumen del sistema
permanece constante.
De la primera ley: DQ = DW + DU
Si DW = 0 (proceso isocórico) entonces DQ = 0 + DU
Por lo tanto, DQ = DU
DQ =
DU
Procesos isotérmicos
Un proceso isotérmico es aquel en el
que la temperatura del sistema
permanece constante.
De la primera ley: DQ = DW + DU
Si DU = 0 (proceso isotérmico) entonces DQ = DW + 0
Por lo tanto, DQ = DW
DQ =
DW
Segunda ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Es imposibble constriuir una
máquina que, funcionando de
manera continua, no produzca otro
efecto que la extracción
Q in  Q out
W

Q

Q
deoutput
calorinde outuna fuente
E  y la realización
Q in
de
cantidad
equivalente de
W una
= trabajo
de salida
Q = calor de entrada
E = eficiencia
Q = calor de salidatrabajo.
Q = calor de entrada
output
in
out
in
Qout = calor de salida
Ciclo de Carnot
La máquina de Carnot tiene la
máxima eficiencia posible tratándose
de una máquina que absorbe calor de
una fuenteP A
B
Ciclo
de
Carnot:
a alta temperatura, realiza trabajo
A-Bexterno
expansión
y deposita calor
en unisotérmica
recipiente a baja temperatura.
D
C
B-C expansión
V
adiabática
C-D compresión
isotérmica
La eficiencia de una máquina ideal
Una máquina ideal es aquella
que tiene la más alta eficiencia
posible para los límites de
temperatura dentro de los cuales
Tin  Tout opera.
Mientras mayor sea
E
Tin
la diferencia de
temperatura entre
los dos recipientes,
mayor será la
eficiencia de la
Máquinas de combustión interna
P
Carrera
de trabajo
Carrera
Carrera Carrera
de
de compresión de
admisión
trabajo
Carrera de
compresión
V
V2
V1
Carrera
de
expulsión
Refrigeración
Q cold
Q cold


W
Q hot  Q cold
 = coeficiente de rendimiento
Tcold

Thot  Tcold
Conceptos clave
• Termodiná
mica
• Diagrama
P-V
• Proceso
adiabático
• Proceso
isocórico
• Función de
energía interna
• Primera ley de la
termodinámica
• Proceso de
estrangulación
• Proceso
isotérmico
Resumen de ecuaciones
DU  DQ  DW
DQ  DW  DU
DW =
-DU=
DQ
DU=
DQ
DW
Q in  Q out
E
Q in
Woutput  Qin  Qout
Tin  Tout
E
Tin
Q cold
Q cold


W
Q hot  Q cold
Tcold

Thot  Tcold