Princípios da Termodinâmica

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FISICA II - Semana 05 2016-1 
Primera ley de la termodinámica
A. Tuesta V.
SESIÓN 17
A. Tuesta V.
Logros esperados:
Establecer la diferencia entre calor y temperatura.
Aplicar el principio de conservación de energía en calorimetría.
Resolver situaciones físicas con flujo de calor, cambios de temperatura y cambios de fase. 
A. Tuesta V.
Temperatura, 
Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. 
Es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. 
Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como energía cinética (promedio) de sus partículas al moverse, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. 
A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.
A. Tuesta V.
Energía interna
Es toda la energía de un sistema asociada a sus componentes microscópicos: átomos y moléculas.
 Incluye la energía cinética de átomos y moléculas debido a: 
Movimiento traslacional aleatorio.
Movimiento rotacional.
Movimiento vibracional asociada con fuerzas entre los átomos en las moléculas.
Incluye la energía potencial eléctrica asociada con fuerzas entre moléculas.
No se incluye la energía cinética de traslación del sistema en el espacio.
A. Tuesta V.
El calor se define como la transferencia de energía a través de los límites de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno.
El término calor también se utiliza para representar la cantidad de energía transferida por este método.
Calor, 
A. Tuesta V.
Las moléculas rápidas del aire debido a la combustión, chocan contra las moléculas del metal de la olla, éstas vibran y transfieren por choques la energía cinética a las moléculas del agua.
Calor es la energía (energía térmica) en tránsito.
Los cuerpos no almacenan calor sino energía térmica (energía interna)
Calor, 
A. Tuesta V.
Cambio de energía interna
La transferencia de calor y trabajo cambia la energía interna del sistema. 
Aún sin transferencia de calor al sistema, se cambia su energía interna mediante trabajo.
¿De qué forma se transfiere energía (gana o pierde) al gas mediante el pistón?
A. Tuesta V.
Transferencia de calor
El bloque a temperatura , al calentarlo con la cocinilla eléctrica se transfiere calor al bloque hasta la temperatura . 
Calentador
A. Tuesta V.
El calor transferido al bloque es proporcional al aumento de la temperatura del bloque.
A mayor masa del bloque, más cantidad de calor para el mismo aumento de temperatura.
Relaciones entre calor, masa y temperatura
A. Tuesta V.
Unidades del calor
En la historia, la caloría fue la unidad de calor.
Cantidad de energía transferida necesaria para que 1 g de agua cambie su temperatura de 14,5oC a 15,5oC.
1 caloría = 4,186 Joule. Se conoce como equivalente mecánico del calor.
donde , es el calor específico.
Luego, combinando las dos relaciones anteriores , resulta:
A. Tuesta V.
Capacidad calorífica, 
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de una muestra en 1 °C.
A. Tuesta V.
Calor específico, 
Es la capacidad calorífica por unidad de masa. 
Si la energía transferida a una muestra de masa produce un cambio de temperatura , entonces el calor específico es:
A. Tuesta V.
A. Tuesta V.
Calor específico de algunas sustancias
A. Tuesta V.
Transferencia de calor entre cuerpos en contacto térmico
¿Qué ocurre si los dos cuerpos se ponen en contacto térmico?
A. Tuesta V.
El cuerpo 2 ha perdido calor y el cuerpo 1 ha ganado calor tal que ambos son iguales, resultando que la temperatura de equilibrio está entre las temperaturas iniciales de ambos cuerpos.
 
 
 
Temperatura de equilibrio, 
 
Transferencia de calor entre dos cuerpos a temperaturas diferentes
A. Tuesta V.
Equivalente mecánico del calor
Joule establece la equivalencia entre energía mecánica y energía interna. 
La pérdida de energía potencial gravitacional de los bloques es igual al trabajo hecho por las paletas sobre el agua. 
A. Tuesta V.
Convención de signos
Si la temperatura aumenta:
 y son positivos
La energía se transfiere hacia dentro del sistema
Si la temperatura disminuye:
 y son negativos
La energía se transfiere hacia afuera del sistema.
Calor específico y temperatura
Realmente, el calor específico varía con la temperatura
La ecuación correcta es: 
Para intervalos de temperatura cortos el calor específico puede tratarse como constante. 
Para el agua varía 1% entre 0o a 100oC y esta pequeña variación no se puede considerar.
A. Tuesta V.
Calorimetría
Técnica para medir el calor específico que consiste en calentar una muestra de material e introducirlo en agua, midiendo la temperatura de equilibrio del sistema. 
El calorímetro es el dispositivo donde ocurre la transferencia de energía.
A. Tuesta V.
El sistema muestra - agua deben estar aislados.
La ley de la conservación de la energía exige que la cantidad de energía que entrega la muestra caliente es igual (en magnitud) a la cantidad de energía que entra al agua fría.
 = 0	
Calorimetría
A. Tuesta V.
Considerando que el calor que entrega la muestra y el calor que gana el agua , resulta que:
La masa del calorímetro también se debe incluir, pero si la masa del agua es mucho mayor, se puede despreciar. En mediciones precisas se debe obtener un masa equivalente en agua del calorímetro.
Calorimetría
A. Tuesta V.
Cambios de fase o de estado
Observa las fotografías y responde:
Describe lo que está ocurriendo en cada caso.
Describe cómo se dan los procesos de transferencia de calor en cada caso. 
1
2
3
A. Tuesta V.
En un cuerpo, la transición de una fase a otra es un cambio de fase. Los cambios de fase se dan a una presión y temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor y ocurre un cambio de volumen y densidad del cuerpo en la nueva fase.
La mezcla de hielo y agua, sometida a la presión del aire circundante, se mantiene a 0 °C hasta que todo el hielo se funde, resultando solo agua líquida.
A. Tuesta V.
Una sustancia cambia de una forma a otra
Sólido a líquido, o al revés. (ver siguiente Tabla gráfica)
Líquido a gas, o al revés. (ver siguiente Tabla gráfica)
Durante el cambio de fase, no hay cambio en la temperatura de la sustancia
Por ejemplo en la ebullición, el aumento de la energía interna está dada por el rompimiento de enlaces entre las moléculas, generando moléculas de gas a una energía mayor. 
Cambio de fase
A. Tuesta V.
Entalpía es la energía transferida (calor) al sistema. El calor recibido durante el cambio de fase se denomina calor latente.
Estados de la materia y cambios de fase
A. Tuesta V.
Sólido
Líquido
Gas
Plasma
Energía absorbida por el cuerpo
Energía liberada por el cuerpo
La energía y los cambios de fase
A. Tuesta V.
Durante el cambio de fase, el cuerpo se mantiene a temperatura constante.
Es la cantidad de calor absorbida (liberada) por la unidad de masa del cuerpo para que cambie de estado.
Calor latente, 
La transferencia de calor (absorbida o liberada) en un cambio de fase es:
 es la masa del cuerpo
 es el calor latente (calor “escondido”) para la fase del cuerpo
A. Tuesta V.
 La cantidad de energía también depende de la cantidad de masa.
, depende la sustancia y del tipo de cambio de fase.
Calor latente de fusión, cuando el cambio de fase es de sólido-líquido. 
Calor latente de vaporización, cuando el cambio de fase es líquido-gas.
Calor latente, 
A. Tuesta V.
Calor latente de fusión y de vaporización 
 a la presión de una atmósfera
A. Tuesta V.
Gráfica de la energía suministrada (absorbida) por 1.00 g de hielo a -30.0 °C, contenida en un recipiente a la presión de una atmósfera, hasta que alcanza la temperatura de120 °C
A. Tuesta V.
Calcule la cantidad de calor necesario para convertir 0,5 kg de hielo a la temperatura de –30 C completamente a vapor a la temperatura de 120 C.
Calentamiento hielo
Q = mhielo chielo ΔT
A. Tuesta V.
Fusión del hielo
Q = mhielo Lf 
A. Tuesta V.
Calentamiento del agua
Q = magua cagua ΔT
 
 = 
 = 
A. Tuesta V.
Evaporación del agua
Q = magua Lv 
A. Tuesta V.
Calentamiento del vapor
Q = mvapor cvapor ΔT
A. Tuesta V.
A. Tuesta V.
Ejemplo 1:
	Estado del agua	Calor específico
	Calor latente
	Hielo (sólido)	2090	
	Agua (líquido)	4180	
	Vapor (gas)	2010	---------------
Propiedades del agua
A. Tuesta V.
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	Referencias
	SERWAY RAYMOND, JEWETT JOHN W. Física para la Ciencias e Ingeniería. Volumen I. 7a Edición. México. Thomson. 2009. LIBRO TEXTO
TIPLER PAUL, MOSCA GENE. Física para la ciencia y la tecnología. VOLUMEN 1. Mecánica/Oscilaciones y ondas/Termodinámica. Sexta Edición. Barcelona. Reverte. 2010
A. Tuesta V.