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Calor y primer principio de la Termodinámica

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Calor y primer principio de la Termodinámica. Temperatura y equilibrio térmico:principio cero de la Termodinámica Medida de temperaturas y escalas termométricas Calor Medida del calor y calor específico Propagación del calor: conductividad térmica Calor y trabajo

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calor y primer principio de la termodin mica
Calor y primer principio de la Termodinámica
  • Temperatura y equilibrio térmico:principio cero de la Termodinámica
  • Medida de temperaturas y escalas termométricas
  • Calor
  • Medida del calor y calor específico
  • Propagación del calor: conductividad térmica
  • Calor y trabajo
  • Primer principio de la termodinámica
introducci n
Introducción
      • Un cubito de hielo sobre una mesa
        • Equilibrio mecánico
        •  F = 0
      • Funde al cabo de un tiempo
        • Proceso inexplicable en el contexto de la mecánica.
        • Es necesario introducir nuevos conceptos (Temperatura, transformación de calor, etc.) y desarrollar nuevas teorías (métodos de trabajo): Termodinámica, Mecánica Estadística.
  • Supongamos una cantidad pequeña de gas (vgr. 5 gr.)
      • Muchísimas moléculas 1023
      • No es razonable hacer uso de las ecuaciones. de Newton y de la dinámica de los sistemas de partículas.
      • Métodos Mecánica estadística : conectar valores promedios con diferentes magnitudes (T., presión, etc.)
      • Termodinámica "Descripción macroscópica de la interacción de un sistema con sus alrededores"
      • Su interpretación en términos de promedios ayude a entender lo que ocurre.
      • Magnitudes macroscópicas utilizadas: Temperatura, número de moles, Energía Interna, Entropía, presión, volumen, todas son variables de estado (p, n, V, T, U y S)
temperatura y equilibrio t rmico principio cero de la termodin mica

A

A

B

B

A

B

C

A

B

Temperatura y Equilibrio Térmico: Principio cero de la Termodinámica.
  • Variables de estado son constantes en todo el sistema
  • "Se dice que un sistema está en equilibrio mientras permanezca constante la variable de estado en el tiempo”
  • Pared adiabática:evita interacciones (polistireno)
  • Pared diatérmica: facilita la intercomunicación (Cu)

“Dos sistemas estarán en equilibrio térmico si al ponerlos en contacto a través de una pared diatérmica, sus variables de estado no cambian".

  • “Principio cero de la termodinámica "Dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercero están, a su vez, en equilibrio térmico entre si".
  • “El concepto de temperatura está relacionado con el movimiento aleatorio de las moléculas de un sistema. Un aumento de la energía interna promedio implica un aumento de temperatura.
  • "Dos sistemas en equilibrio térmico tienen igual T ".
  • Si al poner en contacto dos sistemas, sus variables cambian no están en equilibrio; cuando se estabiliza, habrán alcanzado el equilibrio térmico y tendrán igual T.  Fundamento para la medida de temperaturas
medida de temperatura y escalas termom tricas
Medida de Temperatura y escalas termométricas
  • Descripción subjetiva: Sin significado consistente
    • Caliente
    • Frío
  • Medida: Termómetro dispositivo capaz de conectar el valor de una de sus variables con la Temperatura.
    • T. de mercurio (longitud)
    • Termopar (Potencial eléctrico)
    • Resistencia de Platino. (Resistencia)

Termómetro de gas a volumen constante.

  • Se mide la presión en los dos casos
  • Hay que fijar una referencia: punto triple( coincide en equilibrio las tres fases del agua)
  • T3= 273,16 K (igual tamaño 1K = 1ºC)
medida de temperatura y escalas termom tricas1
Medida de Temperatura y escalas termométricas
  • Cuando p tiende a cero, también lo hace T (cero absoluto de temperaturas).
    • Gases se licúan, no se pueden medir T<1K, con el termómetro de gas
  • La medida depende de la cantidad de gas y de la naturaleza del mismo, si se se extrapola el valor es el mismo.

Gas ideal “gas ficticio cuya dependencia entre la temperatura y la presión es válida para cualquier concentración”

medida de temperatura y escalas termom tricas2
Medida de Temperatura y escalas termométricas
  • Centígrados o Celsius
    • tc = T - 273,16 K
  • Rankine
    • Tm =(2/5)T
    • igual cero que la escala Kelvin
    • grado inferior
  • Fahrenheit
    • tF = (2/5) tc + 32ºF
    • igual tamaño que la escala Rankine
    • distinto cero que Rankine
  • T crece ~ 0.4 C ~ últimos 100 años
  • T crece ~ 0.25 C ~ 25 años
  • Nivel mar aumenta ~ 1 mm por año
medida de temperatura y escalas termom tricas dilataci n t rmica
Medida de Temperatura y escalas termométricas: Dilatación térmica

Al aumentar T aumenta la longitud de una varilla

  • DL=aL0DT
  • a es el coeficiente de dilatación lineal (1/K)
  • Es independiente de L0, pero depende de T
  • Coeficiente de dilatación en volumen
    • V=V0T
  • Como una ampliación fotográfica

Dilatación anómala del agua

Explicación microscópica

 máxima a 4ºC volumen mínimo

calor
CALOR
  • ¿Como se aumenta la temperatura de un sistema?
    • En contacto con otro de temperatura superior
  • Calor es la energía transferida entre un sistema y su entorno, debida únicamente a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y alguna parte de su entorno
    • Existen otras formas de transmisión de energía
  • Diferentes mecanismos de transmisión del calor
    • Conducción
    • Convección
    • Radiación
  • Calor, término utilizado para designar la energía que se transfiere
  • No se puede hablar de calor de un sistema
medida del calor y calor espec fico
MEDIDA DEL CALOR Y CALOR ESPECÍFICO
  • Al adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase)
  • La cantidad de energía necesaria para elevar la T de un sistema Q = C DT = m c DT donde C es la capacidad térmica o calorífica y m la masa del sistema
  • Capacidad calorífica “ cantidad de energía necesaria para aumentar un grado la temperatura de una substancia”
  • c = C/m; c calor específico o capacidad térmica por unidad de masa
    • Puede depender de la temperatura (el del agua aproximadamente 1% de 0-100ºC)
  • Caloría: cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius (de 14,5º a 15,5ºC)
    • Unidad de energía 1cal=4.184 J
    • Btu (British thermal unit) = 252 cal
  • Capacidad térmica molar
    • Cm=M c (M masa molar o masa por mol)
    • C=n Cm ( capacidad calorífica de n moles)

El calor específico del agua es grande

Excelente capacidad de almacenaje de energía térmica

Excelente refrigerante (capaz de absorber mucho calor)

medida del calor y calor espec fico1

Vaporización 100 ºC

T ºC

Tiempo

Fusión 0ºC

MEDIDA DEL CALOR Y CALOR ESPECÍFICO

Calorímetro: aparato para medida del calor ( agua; Qsale=Qentra)

  • Parte de la energía térmica utilizada en calentar una substancia puede invertirse en el proceso de dilatación (realiza trabajo contra su entorno)
    • cv calor específico a volumen constante (sin dilatación)
    • cp calor específico a presión constante
    • cp >cv en sólidos y líquidos hay poca diferencia en gases muy grande
  • Cambios de fase: Absorción de calor sin cambio de T
    • fusión
    • vaporización
    • sublimación (bolas antipolillas)
    • otros (formas cristalinas)
  • La energía se invierte en variar la Energía Potencial del sistema
  • En substancias puras el cambio se da a temperaturas determinadas
    • Q = m Lf, v (cantidad de calor precisa para fundir o vaporizar una masa m)
    • Lf calor latente de fusión
    • Lv calor latente de vaporización
propagacion del calor conductividad termica
PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

¿Cómo se transmite el calor?

  • Conducción: Interacción molecular sin transporte de materia
  • Convección: Transporte directo de masa (movimiento masas de aire calientes
  • Radiación: Emisión y absorción radiación electromagnética
propagacion del calor conductividad termica1

Dx

T=T2

equilibrio

DT

A

T=T1

inicial

x=0

x=L

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Conducción

  • Corriente térmica o flujo de energía térmica I : Velocidad o ritmo de conducción de la energía térmica (wat= joules/s)
    • k coeficiente de conductividad térmica (wat/m K)
    • Como la resistencia eléctrica
      • Rt= R1+R2+... (en serie)
      • 1/Rt=1/R1+1/R2+.....(en paralelo) Calor que sale de una habitación, techo, paredes, ventanas , etc.
  • En la construcción se utiliza el factor R (Rf= Dx/k) =RA
  • El Aire buen aislante, R pequeña, pero atención a la convección
propagacion del calor conductividad termica2
PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)

  • Convección
  • Aparece en fluidos cuya densidad varía con la T
  • Se puede forzar con ventiladores
    • Aire es buen aislante (capas finas pegadas al vidrio), si hay grandes volúmenes pierde esta capacidad
    • Pequeños volúmenes (plumón, styrofoam)
  • Complicado de tratar matemáticamente
propagacion del calor conductividad termica3
PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA
  • Radiación
  • Ondas electromagnéticas
  • Ley de Stefan-Boltzmann da la potencia radiada en watt
  • I = e  AT4
    • e emisividad térmica (entre 0 y 1), A área, s constante de Stefan
    •  = 5.6703 x 10-8 W/m2 K4
  • Radiación absorbida depende del cuerpo (claros reflejan mucha, obscuros absorben mucha), y de la temperatura del entorno T0
    • Ia = e  AT04
    • Ineto = e  A(T4-T40)
  • Cuerpo negro: e=1, absorbe toda la radiación que incide sobre él
    • Radiador ideal
propagacion del calor conductividad termica4
PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA
  • Radiación
  • A temperaturas ordinarias (<600ºC) la mayor parte de la energía radiante está en la zona infrarroja (invisible)
  • Al aumentar T se desplaza hacia ondas más cortas (visible)
    • Color rojo y blanco
  • Ley de Wien max= 2.898 mm.K/T
    • Se utiliza para medir temperaturas
  • Discrepancias entre resultados y teoría: Catástrofe ultravioleta, bases de la Mecánica Cuántica T0, I

Ley de Newton del enfriamiento

La velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura de un cuerpo y sus alrededores

En situaciones reales los diferentes mecanismos de transferencia térmica, pueden tener distintas efectividades. Una estufa de cuarzo calienta por radiación, una de metal por convección

calor y trabajo

p A x

CALOR Y TRABAJO
  • Otras formas de transferencia de energía distintas del calor
  • “Trabajo es la energía transferida entre uno sistema y su entorno por métodos que no dependen de la diferencia de temperatura entre ambos
    • Mediante diferentes fuerzas, eléctricas, magnéticas, mecánicas...
  • Fuerza por desplazamiento, ligado al movimiento de una parte del sistema
  • Positivo si hay transferencia de energía del sistema al entorno
  • Consideraremos procesos muy lentos, cuasistáticos
    • Para poder trabajar en condiciones de equilibrio y con las variables de estado

dW = Fx dx = p A dx = p dV

Si dV>0 dW>0

émbolo

W =∫fip dV

  • Las variables de estado P y V indican estados particulares de un gas
  • Están relacionadas con T por la ecuación de estado.
  • El trabajo se puede evaluar gráficamente calculando el área bajo la curva
  • Para presiones bajas, o gases ideales, la relación viene dada por
  • pV = nRT
    • R (8.31 J mol-1K-1) es la constante universal de los gases
  • Veremos diferentes tipos de procesos
calor y trabajo1

p

Proceso isobárico

p = cte.

i

f

V

Vi

Vf

p

Proceso isócoro

V=cte.

W = 0

i

f

V

Vi

Vf

p

p

Proceso isotérmico

T = cte.

Si Vf > Vi => W > 0

Diferentes caminos.

Distintos trabajos

i

i

f

f

V

V

Vi

Vi

Vf

Vf

CALOR Y TRABAJO
  • Procesos adiabáticos Q = cte.
primer principio de la termodinamica

Q>0

sistema

sistema

sistema

sistema

W>0

Q>0

W>0

Q<0

Q<0

W<0

W<0

p

i

a

Wa WbWc

b

c

f

Qa Qb Qc

V

Vi

Vf

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
  • Dos tipos de transferencia de energía (convenio de signos en el esquema)
    • calor
    • trabajo

La energía total transferida al sistema desde el exterior será Q -W

  • La elección del sistema condicionará el tipo de energía transferida. Resulta muy importante una definición adecuada del sistema.
    • Calentador eléctrico de agua
      • Sistema: agua + resistencia ==> trabajo
      • Sistema: agua ==> calor

El calor y el trabajo realizados al pasar de un estado inicial a otro final dependen

de los detalles del proceso

slide19

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

p

i

Ti

Ui

pi

Tf

f

Uf

pf

V

Vi

Vf

Sin embargo la energía total transferida a un sistema solo depende de los estados

inicial y final del proceso.

Qa -Wa = Qb -Wb = Qc -Wc

Primera ley de la Termodinámica: En todo proceso en que se cede

un calor Q al sistema y este realiza un trabajo W, la energía total

transferida a dicho sistema es igual al cambio en su energía interna

Q -W = Uf -Ui = DU

  • Consecuencias de la primera ley
    • Conservación de la energía: la energía total transferida es igual a la variación de la energía interna
    • La energía interna solo depende de los estados inicial y final
    • La energía interna es una variable de estado (cada punto del diagrama pV se caracteriza por un valor determinado), al contrario que el calor y el trabajo
slide20

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

pi, Vi

Ti, Ui

vacío

pf, Vf, ,Tf, Uf

Aplicaciones

Proceso isocórico

DU = Q - W = Q - 0 = Q

El calor cedido es igual al cambio en la energía interna

Proceso adiabático (dQ = 0)

DU = Q - W = 0 - W = -W

Aislando el sistema mediante una pared adiabática

Procesos muy rápidos (dQ despreciable)

Proceso isobárico

DU = Q - W

Ambos tipos de transferencia de energía

Expansión libre

paredes

adiabáticas

  • Q = 0
  • Sin movimiento (W = 0)
  • Uf - Ui = Q - W= 0 - 0= 0 ==> los estados inicial y final tienen la misma energía interna U(Ti,Vi)=U(Tf,Vf), y como experimentalmente se comprueba que tienen igual temperatura
  • La energía interna de un gas ideal depende solo de la temperatura U(T)
slide21

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

p >

pared

adiabática

C

p <

p

W

V

Aplicaciones

  • Proceso isotérmico (T=cte)
    • Cambio de fase se puede ceder calor pero la T no cambia

Proceso cíclico ( i = f )

DU = 0 = Q - W ==> Q = W

La energía interna permanece constante

El trabajo realizado por el sistema en un ciclo es igual al calor neto cedido al sistema

  • Proceso estrangulamiento
  • Importancia práctica, ciclos de refrigeración
  • Paso de un fluido de una zona de alta presión a otra de baja (válvula o pared porosa)
  • U + p dV = H (cte (entalpía))