Termodinámica La termodinámica estudia todas las
transformaciones físicas y químicas de la materia
en todos sus estados: sólido, líquido, gaseoso y
plasma Está relacionada con las variaciones en la
temperatura y los cambios de estado que se producen como
consecuencia de la transferencia de energía entre un
sistema y su entorno
Temperatura: nociones intuitivas y cualitativas Asociamos el
concepto de temperatura con cómo de
“calientes” o “fríos” están
los objetos cuando los tocamos Nuestro sentido del tacto nos
proporciona una indicación cualitativa de la
temperatura… … aunque poco fiable. La piel es
sensible al ritmo de transferencia de energía (potencia)
mas que a la temperatura del objeto. Necesitamos un método
fiable y reproducible que defina lo relativamente
“fríos” o “calientes” que
están los objetos y que esté relacionado
exclusivamente con la temperatura del objeto
Temperatura: concepto de contacto térmico y equilibrio
térmico Al poner en contacto dos objetos con temperaturas
iniciales diferentes acaban alcanzando una temperatura intermedia
común Supongamos dos objetos colocados en un recipiente de
material aislante, de manera que formen un sistema aislado Si los
objetos están a temperatura diferente,
intercambiarán energía entre sí (por ejemplo
en forma de calor o de radiación electromagnética)
Dos objetos que pueden intercambiar energía entre
sí debido a la diferencia de temperatura de este modo se
dicen que están en contacto térmico En algún
momento, la temperatura de los dos objetos será la misma
(uno se calentará y el otro se enfriará) El
equilibrio térmico es la situación en la que los
dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar
energía
Temperatura: definición Consideremos dos objetos A y B que
no están en contacto térmico, y un tercer objeto C
que será nuestro termómetro (un instrumento
calibrado para medir la temperatura de un objeto) Queremos
determinar si A y B estarían en equilibrio térmico
si se pusieran en contacto térmico (Gp:) En primer lugar
ponemos el termómetro en contacto térmico con A y
anotamos el valor medido (Gp:) Luego, ponemos el
termómetro en contacto térmico con B y anotamos el
valor medido (Gp:) Si las dos lecturas proporcionadas por el
termómetro son iguales, entonces A y B se encuentran en
equilibrio térmico. Si A y B se ponen en contacto
térmico, no habrá transferencia de energía
neta entre ellos
Ley cero de la termodinámica Si dos objetos A y B,
considerados por separado, están en equilibrio
térmico con un tercer objeto C, entonces A y B
estarán en equilibrio térmico entre sí La
importancia de este principio es que nos permite definir el
concepto de temperatura Podemos definir la temperatura como la
propiedad que determina si un objeto está en equilibrio
térmico con otros objetos Dos objetos están en
equilibrio térmico si están a la misma
temperatura
Termómetros Los termómetros son instrumentos
utilizados para medir la temperatura de un objeto o de un sistema
con el cuál se encuentran en equilibrio térmico
Todos los termómetros hacen uso de alguna propiedad
física (propiedad termométrica) que refleja una
variación con la temperatura, la cual puede ser calibrada
para medir la temperatura El volumen de un líquido La
longitud de un sólido La presión de un gas a
volumen constante El volumen de un gas a presión constante
La resistencia eléctrica de un conductor El color de un
objeto caliente
Termómetros que utilizan el volumen de un líquido
Los termómetros de uso común contienen un
líquido que se expande en un tubo capilar de vidrio al
aumentar su temperatura. En este caso, la propiedad física
que varía es el volumen del líquido. Si la
sección transversal del tubo capilar es constante, la
variación del volumen del líquido es lineal con
respecto a su longitud a lo largo del tubo. Podemos establecer
que la temperatura está relacionada con la longitud de la
columna del líquido El termómetro se puede calibrar
poniéndolo en contacto térmico con entornos en los
que la temperatura permanezca constante y marcando la parte
superior de la columna sobre el termómetro. Una vez que
hemos marcado nuestro termómetro los extremos de la
columna de liquido para los entornos de referencia elegidos,
necesitamos una escala numerada asociada a las diferentes
temperaturas Cero grados Celsius (0°C) Mezcla hielo-agua en
equilbrio térmico a presión atmosférica
(punto de fusión o congelación del agua) Cien
grados Celsius (100°C) Mezcla agua-vapor de agua en equilbrio
térmico a presión atmosférica (punto de
vaporización o ebullición del agua) Escala
Celsius
Termómetros que utilizan el volumen de un líquido
Estos termómetros suelen dar problemas cuando se necesitan
medidas muy precisas Un termómetro de mercurio y un
termómetro de alcohol calibrados en los puntos de
fusión y evaporación del agua solo coinciden en los
puntos de calibración Esto se debe a las distintas
propiedades de expansión térmica del mercurio y del
alcohol. Las diferencias son especialmente significativas cuando
las temperaturas medidas están lejos de los puntos de
calibración.
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas
proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien
incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es
prácticamente independiente de la sustancia utilizada en
el termómetro En un termómetro de gas a volumen
constante se mantiene constante el volumen del gas y su
presión se utiliza como propiedad termométrica El
bulbo de gas se pone en contacto térmico con una mezcla de
hielo-agua en equilibrio térmico a presión
atmosférica Metemos o sacamos mercurio de la reserva de
manera que el volumen de gas confinado sea siempre el mismo (que
la columna en A permanezca en el punto de la escala marcado por
el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los niveles de la
reserva y de la columna A) indica la presión en el bulbo a
0° C)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas
proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien
incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es
prácticamente independiente de la sustancia utilizada en
el termómetro En un termómetro de gas a volumen
constante se mantiene constante el volumen del gas y su
presión se utiliza como propiedad termométrica El
bulbo de gas se pone en contacto térmico con una mezcla de
agua-vapor de agua en equilibrio térmico a presión
atmosférica Metemos o sacamos mercurio de la reserva de
manera que el volumen de gas confinado sea siempre el mismo (que
la columna en A permanezca en el punto de la escala marcado por
el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los niveles de la
reserva y de la columna A) indica la presión en el bulbo a
100° C)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas
proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien
incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es
prácticamente independiente de la sustancia utilizada en
el termómetro En un termómetro de gas a volumen
constante se mantiene constante el volumen del gas y su
presión se utiliza como propiedad termométrica Se
representan en una gráfica los valores de presión y
temperatura La línea que conecta los dos puntos sirve de
curva de calibración para temperaturas desconocidas
(experimentalmente se ha demostrado que una relación
lineal entre presión y temperatura es una buena
aproximación)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas
proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien
incluso lejos de los puntos de calibración La lectura es
prácticamente independiente de la sustancia utilizada en
el termómetro En un termómetro de gas a volumen
constante se mantiene constante el volumen del gas y su
presión se utiliza como propiedad termométrica El
bulbo de gas se pone en contacto térmico con una sustancia
de temperatura desconocida Metemos o sacamos mercurio de la
reserva de manera que el volumen de gas confinado sea siempre el
mismo (que la columna en A permanezca en el punto de la escala
marcado por el cero) (Gp:) La altura (diferencia entre los
niveles de la reserva y de la columna A) indica la presión
del gas, y conocida la presión conocemos la
temperatura)
Termómetros de gas a volumen constante Las medidas
proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy bien
incluso lejos de los puntos de calibración En un
termómetro de gas a volumen constante se mantiene
constante el volumen del gas y su presión se utiliza como
propiedad termométrica También se pueden utilizar
medidas de temperatura utilizando presiones iniciales diferentes
a 0°C (Gp:) Si la presión inicial es baja obtendremos
una curva diferente como curva de calibración para cada
presión inicial (Gp:) Si las curvas se alargan hasta la
zona de temperatura negativas… En todos los casos,
independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de la
presión inicial, la presión es cero cuando la
temperatura es de -273,15 °C
El cero absoluto de temperaturas En todos los casos,
independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de la
presión inicial, la presión es cero cuando la
temperatura es de -273,15 °C (Gp:) Dado que la presión
más baja posible es (vacío perfecto) esta
temperatura debe representar un límite inferior para los
procesos físicos. Definimos esta temperatura como el cero
absoluto de temperaturas
Escala Kelvin de temperaturas En la escala Kelvin de Temperaturas
se define el cero absoluto de temperaturas como punto cero (0 K)
El valor de un grado en la escala Kelvin se ha elegido para que
sea igual al valor de un grado en la escala Celsius Temperatura
expresada en escala Celsius Temperatura expresada en escala
Kelvin (también denominada absoluta) La única
diferencia entre estas dos escalas es un desplazamiento del cero
de la escala El cero en la escala Celsius depende de una
sustancia particular (agua) en un planeta particular (Tierra) El
cero en la escala absoluta es universal
Escala Kelvin de temperaturas
Escala Farenheit de temperaturas Temperatura expresada en escala
Farenheit Temperatura expresada en escala Celsius En la escala
Farenheit: – punto de fusión del hielo: 32 °F – punto
de ebullición del agua: 212 °F
Diferentes escalas de temperatura De las tres escalas de
temperatura discutidas, solo la escala Kelvin está basada
en un valor cero de la temperatura real Las escalas Celsius y
Farenheit están basadas en un cero de temperaturas
arbitrario (Gp:) Si la ecuación contiene una diferencia en
temperaturas podemos utilizar tanto la escala Celsius como la
escala Kelvin (Gp:) Si en una ecuación encontramos un
valor de la temperatura o un cociente de temperaturas, debemos
convertir todas las temperaturas a Kelvin
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos En la mayoría de las sustancias, cuando la
temperatura aumenta, el volumen aumenta. A este fenómeno
se le conoce como dilatación térmica Aplicaciones:
necesidad de incluir juntas de expansión térmica en
edificios, vías de ferrocarril, etc.
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos: coeficiente de dilatación lineal Si la
dilatación térmica de un objeto es suficientemente
pequeña comparada con las dimensiones iniciales del objeto
y si la variación de temperaturas es suficientemente
pequeña, entonces podemos aplicar la siguiente
aproximación: El cambio que se produce en cualquiera de
sus dimensiones es directamente proporcional a la primera
potencia en la variación de la temperatura Longitud final
Longitud inicial a lo largo de cualquier dimensión
Temperatura final Temperatura inicial Coeficiente medio de
dilatación lineal para un material dado (Unidades de
°C-1)
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos: coeficiente de dilatación lineal Para la
mayoría de las sustancias es positivo, aunque no siempre
es así (por ejemplo, la calcita CaCO3 se dilata en una
dimensión y se contrae según otra cuando la
temperatura aumenta)
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos: analogía con la ampliación de una
fotografía Cuando una sustancia se caliente, por ejemplo
una arandela, todas las dimensiones del mismo aumentan
(también el radio interior de la arandela) Dado que las
dimensiones lineales de los objetos varían con la
temperatura, el volumen y el área superficial
también varían Un agujero de una pieza de un
determinado material se dilata de la misma forma que lo
haría una pieza sólida de ese mismo material y que
tuviera la misma forma que el agujero
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos: coeficiente medio de dilatación
volumétrica Cuando la temperatura aumenta, la longitud de
cada lado aumenta (Gp:) Sea un cubo cuyo lado tiene una longitud
inicial y, por lo tanto, un volumen inicial (Gp:) Como podemos
despreciar los dos últimos sumandos (Gp:) El nuevo volumen
es (Gp:) es el coeficiente medio de dilatación
volumétrica (Gp:) Fórmula válida
independientemente de la forma con tal de que sea la misma en
todas direcciones
Dilatación térmica de sólidos y
líquidos: coeficiente medio de dilatación
superficial De forma análoga se puede demostrar que el
incremento del área de un objeto debido a la temperatura
viene dado por (Gp:) es el coeficiente medio de dilatación
superficial
Descripción macroscópica de un gas ideal En un gas
las fuerzas interatómicas son muy débiles (incluso
pueden considerarse como inexistentes en una buena
aproximación) En un gas, no hay una separación de
equilibrio para los átomos, y por lo tanto, no podemos
definir el “volumen” a una temperatura dada Como
consecuencia, no podemos utilizar las expresiones anteriores,
puesto que no podemos definir el volumen en el comienzo del
proceso Si introducimos un gas en un recipiente, este se expande
de manera uniforme hasta ocupar todo el recipiente Por lo tanto,
el gas no tiene ni un volumen ni una presión fijas: –
volumen: el del recipiente que lo contiene – presión:
depende del tamaño del recipiente (Gp:) Objetivo: estudiar
las propiedades de un gas a presión y temperatura ,
confinado en un recipiente de volumen (ecuación de
estado)
Descripción macroscópica de un gas ideal:
definición de gas ideal Modelo de gas ideal: Un gas ideal
es un conjunto de átomos o moléculas que se mueven
aleatoriamente, sin ejercer fuerzas entre sí y que ocupan
una parte despreciable del volumen del recipiente que los
contiene Aproximación muy buena en el caso de considerar
gases con baja densidad Experimentalmente, la ecuación de
estado de un gas a una presión baja (en la cual la
aproximación de gas ideal funciona bien), es relativamente
sencilla
Descripción macroscópica de un gas ideal:
definición de mol Podemos expresar la cantidad de gas que
hay en un volumen determinado en función del número
de moles (Gp:) Un mol de una sustancia es la cantidad de
sustancia que contiene un número de Avogadro de
partículas constituyentes El número de moles de una
sustancia está relacionado con su masa a través de
la expresión donde es la masa molar de la sustancia. La
masa molar de cada elemento químico es la masa
atómica, expresada en gramos/mol
Descripción macroscópica de un gas ideal:
ecuación de estado de un gas ideal Supongamos un gas ideal
confinado en un recipiente cilíndrico cuyo volumen puede
variarse por medio de un émbolo móvil (Gp:)
Información experimental: (Gp:) Ley de Boyle: cuando el
gas se mantiene a temperatura constante, la presión es
inversamente proporcional al volumen Ley de Charles y Gay-Lussac:
cuando el gas se mantiene a presión constante, el volumen
es directamente proporcional a la temperatura Estas dos leyes se
resumen en la ecuación de estado de un gas ideal
Ecuación de estado de un gas ideal Constante universal de
los gases (SI) Temperatura absoluta (K) Número de moles El
volumen que ocupa un mol de cualquier gas (supuesto ideal) a
presión atmosférica y a una temperatura de 0 °C
(273 K) es de 22.4 L Descripción macroscópica de un
gas ideal: ecuación de estado de un gas ideal
Ecuación de estado de un gas ideal Descripción
macroscópica de un gas ideal: ecuación de estado de
un gas ideal (Gp:) Podemos expresar la ley en función del
número total de moléculas (Gp:) donde es la
constante de Boltzmann
La energía interna es la energía asociada a los
componentes microscópicos de un sistema (átomos y
moléculas) cuando se observan desde un sistema de
referencia que está en reposo con respecto al sistema.
Incluye las energías cinéticas y potencial asociada
a los movimientos aleatorios de traslación, de
rotación, y vibración de los átomos o
moléculas que forman el sistema, así como la
energía potencial intermolecular Concepto de
energía interna
Concepto de calor (Gp:) El calor es un mecanismo por el que la
energía se transfiere entre un sistema y su entorno como
consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos.
También es la cantidad de energía transferida a
través de ese mecanismo No tiene sentido utilizar el
término calor a menos que haya habido una transferencia de
energía como consecuencia de una diferencia de
temperatura
Unidades de calor El caloría (cal) es el calor necesario
para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a
15.5 °C El calor es es una medida de transferencia de
energía y, por lo tanto, su unidad en el SI debería
de ser el Julio Sin embargo, antes de que los científicos
descubrieran la relación entre los procesos
mecánicos y termodinámicos, el calor se
definía en función de las variaciones de
temperatura que se producían en un objeto Esta
definición de caloría (que no hace referencia
alguna al agua, sino a una equivalencia entre caloría y
Julio, se la conoce como equivalente mecánico del
calor
Definición de calor específico La cantidad de
energía necesaria para elevar un grado la temperatura de
un kilogramo de una sustancia cualquiera depende de la sustancia
en cuestión (Gp:) Supongamos que se transfiere una
cantidad de energía a una masa de una determinada
sustancia, cambiando como consecuencia su temperatura en (Gp:) El
calor específico de la sustancia se define como Las
unidades del calor específico son en el SI (J/kg?°C)
(Gp:) Podemos expresar la cantidad de energía transferida
entre un sistema de masa y su entorno en función de la
variación de temperatura resultante
Definición de calor específico: criterio de signos
(Gp:) Cuando la temperatura aumenta, y se consideran positivos,
lo que corresponde a una energía que entra en el sistema
(Gp:) Cuando la temperatura disminuye, y se consideran negativos,
lo que corresponde a una energía que sale del
sistema
Valores de calor específico para diferentes sustancias
Experimentalmente, los valores de calor específico medidos
dependen de las condiciones del experimento. En general, las
medidas hechas en condiciones de presión constante son
diferentes a las medidas realizadas en condiciones de volumen
constante. En sólidos y líquidos, las diferencias
suelen ser menores a unos pocos por-ciento
Como medir el calor específico: calorimetría
Técnica para medir el calor específico de un
líquido o un sólido: 1. Aumentar la temperatura de
la sustancia hasta un determinado valor 2. Introducir la
sustancia en un recipiente que contenga agua de masa conocida y a
una temperatura conocida 3. Medir la temperatura de la
combinación cuando se alcanza el equilibrio Si se supone
que el recipiente está bien aislado (de manera que no
pierda energía en forma de calor ni por ningún otro
medio), podemos utilizar el modelo de sistema aislado. A este
recipiente se denomina calorímetro (Gp:) Principio de
conservación de la energía para este sistema
aislado: la energía en forma de calor que transfiere la
sustancia más caliente (de calor específico
desconocido) es igual a la energía que absorbe el
agua
Como medir el calor específico: calorimetría
Técnica para medir el calor específico de un
líquido o un sólido: (Gp:) Principio de
conservación de la energía para este sistema
aislado: la energía en forma de calor que transfiere la
sustancia más caliente (de calor específico
desconocido) es igual a la energía que absorbe el agua
Sustancia cuyo calor específico desconocemos (Gp:) Calor
específico (Gp:) Masa (Gp:) Temperatura inicial Agua (Gp:)
Calor específico (Gp:) Masa (Gp:) Temperatura inicial
(Gp:) Temperatura final de equilibrio después de haber
combinado sustancia y agua
Como medir el calor específico: calorimetría
Técnica para medir el calor específico de un
líquido o un sólido: Sustituyendo los valores
conocidos en la parte derecha de la ecuación, podemos
calcular el calor específico de la sustancia (En este
proceso suponemos que la masa de agua es grande, y podemos
utilizar un modelo simplificado en el que ignoramos la
energía transferida al recipiente)
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA