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Sistemas termodinámicos: Temperatura
Temperatura: lo que medimos con un termómetro,
Calor: energía que se transfiere por causa de una diferencia de temperatura.
La descripción microscópica de una pequeña porción de gas requiere 
estudiar el movimiento de todas las moléculas, del orden de 1023
 
vectores de 
posición y velocidades, 
Los métodos estadísticos son muy aproximados. 
La mecánica estadística conectan valores promedios de propiedades 
moleculares con magnitudes macroscópicas tales como la temperatura y la 
presión. 
La descripción macroscópica de la termodinámica requiere sólo el 
conocimiento de unas pocas variables que nos permiten conocer las 
relaciones entre un sistema y sus alrededores.
Presión, temperatura o volumen son variables de estado. Generalmente
 
sus 
valores cambian como respuesta a las interacciones del sistema con los 
alrededores. Para definirlas necesitamos que el sistema esté
 
en un estado de 
equilibrio. Cuando las propiedades macroscópicas de un sistema aislado (que 
no interacciona) se hacen constantes con el tiempo, el sistema está
 
en 
equilibrio. Podemos estudiar una propiedad con la presión con un único valor 
para el sistema entero.
Llamamos proceso termodinámico al paso de un sistema desde un estado de 
equilibrio a otro. Para que un proceso tenga lugar deben modificarse alguna 
ligadura interna y/o alguna condición externa.
Principio cero de la termodinámica
Se dice que dos cuerpos tienen la misma temperatura cuando están 
en equilibrio térmico entre sí.
El Principio cero permite crear termómetros
 
Adiabática 
Adiabática Diatérmica Diatérmica 
Diatérmica 
Sistema Sistema 
Sistema 
Sistema Sistema 
Sistema 
a) Si los sistemas A y B 
están cada uno en equilibrio 
térmico con el sistema C… 
b) entonces A y B están en 
equilibrio térmico entre sí. 
Ecuación de estado
•
 
A presionas bajas, el producto PV es aproximadamente 
proporcional a la temperatura absoluta T
cTPV ≈
c es una constante típica para cada gas. Esta constante se 
puede definir como:
NKc =
N es el número de moléculas en el gas, y K es una constante, 
igual para todos los gases. 
NKTPV =
Si escribimos N como N = nNA , donde n es el número de moles y 
NA es el número de Avogadro
 
(el número de moléculas de un 
mol), 
nRTKTnNPV A ==
•
 
donde R = KNA es la constante universal de los 
gases:
•
 
K es la constante de Boltzman: K=1,38·10-23
 
J/K.
Kmol
cal
molK
latm
Kmol
JR ·99,1·
·0821,0·31,8 ===
Para los gases reales PV / nR es casi constante en un intervalo 
relativamente grande de presiones
El gas ideal es aquel en el que 
Para cualquier valor de P 
nRTPV = Ecuación de estado
Dilatación térmica
•
 
La dilatación
 
térmica
 
es
 
consecuencia
 
de los
 cambios
 
en la separación
 
promedio
 
entre
 
las
 moléculas
•
 
A temperaturas
 
normales
 
, las
 
moléculas
 
vibran
 con una
 
amplitud
 
pequeña
•
 
Cuando
 
la temperatura
 
aumenta, la amplitude 
también
–
 
Esto
 
origina
 
que
 
el objeto
 
se expanda
Dilatación térmica
•
 
Para cambios
 
pequeños
 
en la temperatura
•
 
es
 
el coeficiente
 
de dilatación
 
lineal que
 depende
 
del material 
•
 
Puede
 
depender
 
de la temperatura
•
 
Para un sólido
( )o o oL L T or L L T Tα αΔ = Δ Δ = −
α
, 3
oV V t
si es isótropo
β
β α
Δ = Δ
 =
Aplicaciones
 
de la dilatación
 
térmica
•
 
Vidrio
 
Pyrex: La dilatación
 
es
 
más
 
pequeña
 
que
 
en el 
vidrio
 
común
•
 
Nivel
 
del mar: El calentamiento
 
de los
 
oceános
 incrementará
 
el volumen
 
de los
 
océanos
El agua se expande (aunque no linealmente) entre 4 y 100ºC
 cuando crece T. Pero entre 0 y 4ºC
 
el agua se contrae con el 
aumento de T:
Transferencia de calor
•
 
Calor: la energía transferida entre un sistema y su entorno debido 
únicamente a una diferencia de temperatura entre el sistema y 
alguna parte del entorno. 
•
 
Esta diferencia de temperatura es un aspecto fundamental en la 
definición de calor.
•
 
A nivel molecular esta energía se transfiere por choques entre las 
moléculas de la sustancia (conducción). 
•
 
Las moléculas más calientes se moverán en promedio más 
rápidamente que las que estén a temperaturas inferiores. Las 
moléculas más lentas generan energía en la colisión, mientras las 
más rápidas, la perderán. Al promediar, el resultado es una 
transferencia neta de energía de las partes con mayor temperatura 
a las tienen menor temperatura.
•
 
El término calor se usa correctamente para designar una cantidad 
de energía que se transfiere a o desde un sistema, y no es una 
energía que pertenece al sistema, como pueda ser la energía 
potencial.
Conducción del calor
•
 
En un proceso de conducción del 
calor, el calor se transmite entre 
dos sistemas a través del medio 
de acoplamiento. 
•
 
La temperatura cambia entre x=0 
(T2 ) y x=L (T1 ) de tal modo que 
un punto intermedio x tiene una 
temperatura intermedia T que 
varia en el tiempo, t. 
Experimentalmente se tiene que 
cuando se está
 
en estado 
estacionario (las temperaturas 
no cambian con el tiempo en 
cada punto), la temperatura varía 
linealmente con
 
t (siempre que 
T2 y T1 no sean muy diferentes).
 
2 1 
Corriente 
de calor
Aislante 
(recortado) 
 
x=0 x=L 
i 
ii 
iii (estado estacionario) 
T1 
T2 
•
 
En el estado estacionario el calor (Q) que pasa o fluye 
por cualquier sección transversal es el mismo.
•
 
En condiciones estacionarias, la energía se transfiere a 
lo largo del medio sin que haya ganancia o pérdida de 
energía en ninguna para de éste.
•
 
Corriente de calor: cantidad de calor que pasa por una 
sección transversal por unidad de tiempo: 
•
 
En estado estacionario H=cte. 
•
 
A partir de medidas experimentales se sabe que H 
depende en el estado estacionario de:
•
 
Proporcional a la diferencia T2 -T1 ,
•
 
Proporcional al área de sección transversal A
•
 
Inversamente proporcional a la longitud L
•
 
Depende del material, la conductividad K
t
QH =
L
TTKAH 12 −=
Convección de calor
•
 
En la convección de calor, éste se transmite mediante el 
movimiento de materia en forma de corriente de convección. 
•
 
Dichas corrientes pueden aparecer espontáneamente en fluidos 
cuya densidad varía con la temperatura. 
•
 
En el aire las corrientes de convección tienen lugar de tal forma que 
el aire cálido, menos denso, asciende, mientras que el aire frío, con 
mayor densidad, desciende. 
La convección también puede 
forzarse con el uso de 
ventiladores. 
Los cálculos de convección son 
muy complicados y no serán 
tratados aquí.
Radiación
•
 
El tercer mecanismo de transferencia de calor es la radiación, 
que en algunos casos, es el mecanismo dominante. Todos los 
objetos emiten energía desde sus superficies, esta energía se 
puede ver fácilmente cuando el cuerpo está
 
a temperaturas altas 
(por ejemplo, un ascua incandescente); a temperaturas más 
bajas, una superficie emite energía, aunque sólo una parte muy 
pequeña en el visible. Podemos sentir la radiación proveniente 
de una estufa, aunque no podemos verla.
•
 
Cualquier superficie a una temperatura T (en grados kelvin) 
emite energía radiante con una rapidez proporcional al área de la 
superficie A y a la cuarta potencia de la temperatura. La potencia 
radiada viene dada por la ley de Stefan-Boltzman:
•
•
 
donde e es la emisividad que caracteriza las propiedades de 
emisión de la superficie emisora (0<e<1), y σ= 5.67 10-8
 
Wm-2K-4,
es la constante de Stefan-Boltzman, que es igual para todos los 
cuerpos.
4= AeTσ℘
•
 
Del mismo modo que los cuerpos emiten radiación, también la 
absorben. Consideramos un objeto a una temperatura T2 rodeado de 
paredes a temperatura T1 . 
•
 
Experimentalmente se demuestra que las temperaturas acaban 
siendo iguales y constantes, se alcanza el equilibrio térmico. 
•
 
Una vez que esto ha ocurrido, la superficie del objeto encerrado
 
y la 
superficie de la pared debenabsorber y emitir energía con la misma 
rapidez a dicha temperatura para que se mantenga el equilibrio 
térmico.
•
 
la superficie del objeto encerrado a temperatura T debe emitir y 
absorber radiación con la misma rapidez. 
•
 
Una buena superficie absorbente es también una buena superficie 
radiante (e≈1) y se llama cuerpo negro, 
•
 
una superficie débilmente absorbente (e≈0) es también mala emisora 
(y buena reflectante).
•
 
Supongamos que el cuerpo está
 
a una temperatura superior a las 
paredes. Ahora la rapidez con que el objeto emite energía es superior 
a la rapidez con que la absorbe, y la rapidez neta de transferencia de 
calor es: ( )4 4= net oAe T Tσ℘ −
Calentamiento
 
global
•
 
La atmósfera
 
terrestre
 
es
 
un buen
 
transmisor
 
de la 
luz
 
visible y un buen
 
absorbente
 
de la luz
 
infrarroja
	Sistemas termodinámicos: Temperatura
	Principio cero de la termodinámica
	Ecuación de estado
	Número de diapositiva 4
	Número de diapositiva 5
	Dilatación térmica
	Dilatación térmica 
	Aplicaciones de la dilatación térmica
	Transferencia de calor
	Conducción del calor
	Número de diapositiva 11
	Convección de calor�
	Radiación
	Número de diapositiva 14
	Calentamiento global