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Termodinámica y Ondas Mecánicas

Enviado por Pablo Turmero



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Definición Denominamos estado de equilibrio de un sistema cuando las variables macroscópicas presión p, volumen V, y temperatura T, no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. El estado del sistema se representa por un punto en un diagrama p-V. Podemos llevar al sistema desde un estado inicial a otro final a través de una sucesión de estados de equilibrio.
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Se denomina ecuación de estado a la relación que existe entre las variables p, V, y T. La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal: Donde: n: número de moles R: constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol). Se denomina energía interna del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la temperatura.
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Temperatura Termodinámica Definición de kelvin: Es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Este mismo nombre y este mismo símbolo son utilizados para expresar un intervalo de temperatura. Un intervalo de temperatura puede también expresarse en grados Celsius (ºC). Calor Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes. Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB. Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.
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Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1ºK la temperatura de una sustancia. Está dada por la ecuación: Donde: C = capacidad calorífica Q = calor T = variación de temperatura Capacidad Calorífica
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Se mide en julios por kelvin (unidades del SI). La capacidad calorífica (C) va variando según la sustancia. Su relación con el calor específico es: Donde: c = calor específico m = masa de la sustancia considerada.
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Calor Específico El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor. necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado: Donde: c = calor específico Q = cantidad de calor m = masa ?T = diferencia de temperaturas Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg·K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado celsius y su notación es: kcal/kg.ºC.
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También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico como: De ahí se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m). Su unidad en SI es el julio por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol·K)
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Determinación del calor especifico del Sólido Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación, se deposita la pieza de sólido rápidamente en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te.
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Se pesa con una balanza una pieza de material sólido de calor específico c desconocido, resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T. Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado. La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa.  Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresadas por la denominada ley del enfriamiento de Newton
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Escalas Termométricas La temperatura se expresa mediante las llamadas escalas de temperatura o escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit, Kelvin). La escala Kelvin o absoluta está fijada por dos valores concretos de la temperatura para los que se producen dos efectos muy determinados. El inferior es llamado cero absoluto y corresponde a aquella temperatura en la que una molécula tiene una energía térmica nula. El valor superior corresponde a la temperatura del punto triple del agua, aquella en la que pueden coexistir los estados sólido, líquido y gaseoso al que se ha asignado el valor 273,16. La escala está, además, dividida en un cierto número de intervalos que reciben el nombre de grados Kelvin. De este modo el valor superior corresponde a 273,16 K, mientras que el inferior es de 0 K.
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Las demás escalas de temperaturas se emplean normalmente para expresar las temperaturas. Así, por ejemplo, la escala centígrada o Celsius es aquella en la que el punto triple del agua corresponde a 0,01 °C y el cero absoluto a -273,16 °C.
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Relación entre las Escalas Termométricas Existe una ecuación que se puede usar para hacer estas conversiones. Con ella podemos transformar °F en °C, °K en °C y °F en °K y otras transformaciones mas.
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Transferencia de Calor Procesos En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
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En los sólidos el calor se propaga por conducción. La conducción es la forma que tiene el calor de propagarse por los sólidos. La agitación de las moléculas próximas al foco de calor se propaga a las moléculas vecinas sin que se muevan de lugar. Hay sólidos que son buenos conductores del calor, como los metales, y otros que conducen con dificultad el calor, como la madera o el corcho. Por eso, las paredes de las casas se recubren de estos materiales, para asegurar un buen aislamiento térmico. El calor también puede ser conducido a través de líquidos y gases. La conducción se verifica mediante la transferencia de energía de movimiento entre moléculas adyacentes. En un gas, donde las moléculas “más calientes” tienen más energía y movimientos, se encargan de impartir energía a moléculas colindantes que están en niveles energéticos más bajos. Este tipo de transferencia siempre está presente, en mayor o menor grado, en sólidos líquidos y gases en los que exista un gradiente de temperaturas. En la conducción, la energía también puede transferirse por medio de electrones “libres” que es un proceso muy importante en los sólidos metálicos. Conducción
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En los líquidos y en los gases el calor se propaga por convección. Las moléculas calientes de un líquido o de un gas tienen tendencia a elevarse, mientras que las moléculas frías tienden a descender. Así, se forman unas corrientes, llamadas de convección, que ayudan a transportar el calor a todas partes. Pueden observarse estas corrientes en un recipiente de agua que se está calentando echando serrín en él. La transferencia de calor por convección implica el transporte de calor a través de una fase y el mezclado de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Además, con frecuencia involucra también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido. Existe una diferencia entre la transferencia de calor por convección forzada en la que se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie sólida por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico y la convección libre o natural, en la cual un fluido más caliente o más frío que está en contacto con la superficie sólida, causa una circulación debido a la diferencia de densidades que resulta del gradiente de temperaturas en el fluido. Convección
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Radiación El calor del Sol llega a la Tierra después de un largo viaje a través del espacio vacío. El calor del Sol no se propaga ni por conducción, ni por convección. Esta forma de propagación de la energía calorífica que no precisa soporte material se denomina radiación. Este tipo de propagación del calor también se da en lámparas eléctricas. La radiación es la transferencia de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas, de manera similar a las ondas electromagnéticas que propagan y transfieren la luz. La transferencia radiante de calor se rige por las mismas leyes que dictan el comportamiento de la transferencia de luz. Los sólidos y los líquidos tienden a absorber la radiación que está siendo transferida a través de ellos, por lo que la radiación adquiere su principal importación en la transferencia a través del espacio o de gases.
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