S10 s2 - Termodinamica-Temperatura

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Cálculo Aplicado a la Física III 
Semana 10 – Sesión 2
Termodinámica y temperatura
Datos/Observaciones
Logro de la sesión
El estudiante identifica y comprende el concepto de 
temperatura y su correspondencia con un sistema 
físico macroscópico.
Datos/Observaciones
AGENDA
 Temperatura
 Escalas termométricas
 Expansion térmica
 Calor y equilibrio térmico
 Flujo de calor y transferencia de calor
Calor y temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Regula el volumen
constante
n R
V
C =
Temperatura
Temperatura
Temperatura
Temperatura
En un dia la temperatura alcanza 50°F, ¿cual es la temperatura en grados Celsius 
y en kelvins?
Ejemplo
Temperatura
Temperatura
αβ 3=
Temperatura
αβ 3=
Coeficientes de expansion volumétrica
Un evaluador usa una cinta métrica de acero que tiene exactamente 50.000 m de longitud a una 
temperatura de 20 °C. ¿Qué longitud tiene en un día caluroso de verano en el que la 
temperatura es de 35 °C?
Ejemplo
Un evaluador usa una cinta métrica de acero que tiene exactamente 50.000 m de longitud a una 
temperatura de 20 °C. El evaluador usa la cinta para medir una distancia cuando la temperatura 
es de 35 °C; el valor que lee es 35.794 m. Determine la distancia real. Suponga que la cinta 
está calibrada para usarse a 20 °C.
Ejemplo
Un segmento de vía de ferrocarril de acero tiene una longitud de 30.000 m cuando la temperatura 
es de 0.0°C. a) ¿Cuál es su longitud cuando la temperatura es de 40.0°C?
Ejemplo
Un segmento de vía de ferrocarril de acero tiene una longitud de 30.000 m cuando la temperatura 
es de 0.0°C. a) ¿Cuál es su longitud cuando la temperatura es de 40.0°C?
Ejemplo
TLL ∆=∆ 0α
( )
00 TTLL f −=∆ α
( )( )040000.301011 6 −×=∆ −L
mL 013.0=∆
LLL f ∆=− 0
013.0000.30 +=fL
013.0013.30 +=fL
161011 −−×= Coα
Termómetros y expansion térmica
Coeficiente Exp. Térmica
alcohol : 1.01x10-3 K-1
Mercurio : 1.5x10-4 K-1
V0 : 1.0cm
3 ΔT=20oC
R : 0.015cm
Ejemplo
Expansión térmica y Esfuerzo térmico
Deformación Térmico:
Deformación por tensión:
Deformación nula:
Esfuerzo Térmico:
Ejemplo 2
Un cilindro de aluminio de 10 cm de longitud, con área transversal de 20 cm2, se usará como 
espaciador entre dos paredes de acero. A 17.2 °C, el cilindro apenas se desliza entre las 
paredes. Si se calienta a 22.3 °C, ¿qué esfuerzo habrá en el cilindro y qué fuerza total 
ejercerá éste sobre cada pared, suponiendo que las paredes son perfectamente rígidas y 
están separadas por una distancia constante?
Ejemplo
Un frasco de vidrio con volumen de 200 cm3 se llena hasta el borde con mercurio a 20 °C. 
¿Cuánto mercurio se desbordará si la temperatura del sistema se eleva a 100 °C? El 
coeficiente de expansión lineal del vidrio es de 0.40×10−5 K −1.
Ejemplo
Calor: Q
El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema 
debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. 
Unidades de calor
Caloría (cal), que se define como la 
cantidad de transferencia de energía 
necesaria para elevar la temperatura de 
1 g de agua de 14.5°C a 15.5°C.
El equivalente mecánico del calor
Joule observó que el aumento de 
temperatura es directamente proporcional 
a la cantidad de trabajo realizado.
1 cal ═ 4.186 J
Calor específico y calorimetría
Para una muestra particular se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la 
temperatura de dicha muestra en 1°C.
Capacidad térmica C
La energia Q produce un cambio ∆T en la 
temperatura de una muestra
Q ═ C ∆T
Para una sustancia es la capacidad termica por unidad de masa.
Calor específico c
El calor especifico es en esencia una medida de que tan insensible termicamente es una 
sustancia a la adicion de energia.
Calores específicos
• El calor especifico es en esencia una medida de que tan insensible termicamente es una 
sustancia a la adicion de energia. 
• Mientras mayor sea el calor especifico de un material, mas energia se debe agregar a una masa 
determinada del material para causar un cambio particular de temperatura.
Calor específico y calorimetría
Calor específico:
La energia Q transferida entre una 
muestra de masa m de un material y 
sus alrededores con un cambio de 
temperatura ∆T como:
Q ═ mc ∆T
La capacidad de absorber calor 
depende del material:
La energía térmica es intercambiada en forma de calor
Calor latente: Cambio de fase
L : es el calor latenteQ ═ Lm
• Sustancias necesitan intercambiar calor 
para variar su estado de fase
• Temperatura no caria durante el cambio 
de estado
• El grado de orden del sistema varia 
a T Constante
Es el termino que se aplica cuando el cambio de fase es de solido a liquido 
(derretir significa “combinar mediante fusion”)
Calor latente de fusión Lf :
Es el termino que se usa cuando el cambio de fase es de liquido a gas 
(el liquido se “vaporiza”).
Calor latente de fusión Lv :
Agua
Calores Latentes
Ejemplo 3
¿Que masa de vapor, inicialmente a 130°C, se necesita para calentar 200 g de agua en un contenedor de vidrio 
de 100 g, de 20.0°C a 50.0°C?
Ejemplo
En el campo una geóloga bebe su café matutino de una taza de aluminio. La taza tiene una masa de 0.120 kg e 
inicialmente está a 20.0 °C cuando se vierte en ella 0.300 kg de café que inicialmente estaba a 70.0 °C. ¿A qué 
temperatura alcanzarán la taza y el café el equilibrio térmico? (Suponga que el calor específico del café es el 
mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el entorno.)
Ejemplo
Una estudiante de física desea enfriar 0.25 kg de Diet Omni-Cola (casi pura agua), que está a 25 °C, 
agregándole hielo que está a 220 °C. ¿Cuánto hielo debería ella agregar para que la temperatura final sea
0 °C con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente?
Ejemplo
Un lingote de cobre de masa mc = 75 g es calentado en un horno de laboratorio hasta la temperatura T = 312°C. En seguida, 
el lingote es colocado en un beaker de vidrio conteniendo una masa de ma = 220 g de agua. La capacidad térmica del beaker 
es de 45 cal/K. La temperatura inicial del agua y del beaker es Ti = 12°C. Suponiendo que el lingote, el beaker y el agua son 
un sistema aislado y que el agua no se vaporiza, determine la temperatura final Tf del sistema cuando el equilibrio térmico es 
alcanzado.
Ejemplo
Datos/Observaciones
Recordar
 La temperatura, es una propiedad de todos los sistemas termodinámicos en 
equilibrio. 
 En un termómetro de gás a volume constante la temperatura depende sólo de las 
propiedades generales de los gases y no de un gas en particular.
 A nivel microscópico, la dilatación térmica de un sólido sugiere un aumento en la 
separación promedio entre los átomos del sólido.
 El cambio de temperatura en una sustancia es proporcional al calor 
proporcionado.
 La cantidad de calor aplicada a una sustancia en un cambio de fase no cambia la 
temperatura de la sustancia. 
 El calor puede ser transferido por conducción, convección y radiación.