FÍSICA GRADO 8: TEMA #4 guía #1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA /0-12-1034 % '%5- '41 67U P84-548 3/4%50%%49 Para Para comenz comenzar, ar, en este este períod período o de trabaj trabajo o estudi estudiare aremos mos los siguientes temas:
-
Calo Calo ! "$% "$% a" a"u ua a Co&' Co&'% %"o "o( ( ! $)* $)*)a )a( ( Ta&( a&($* $*(* (*+& +& )l )l Calo Calo D*la D*la"a "a'* '*+& +& ) lo( lo( 'u 'u%o %o(, (,
1, C*"a *"a u& 3$ 3$%lo %lo ) "u 'o" 'o"*)* *)*a&*)a &*)a) ) .u .u aga aga &'*a a la l! 'o ) la "$o)*&/$*'a2 al*5a u& )*0u3o, 'uando hacemos referencia a la medida, la que hacemos con un termómetro o al sentir un cuerpo y comparar si está caliente o más frío que otro, nos estamos re(riendo a la idea de "$%a"ua, %os cuerpos en general están compuestos de partículas mínimas, esto esto lo e)pusimo e)pusimoss en la guía guía anterio anterior* r* l 'alo, es la energía necesaría para que las partículas que hacen parte de un cuerpo determinado interactuen en un grado mayor o menor, a dichas interacciones se les llama energía interna$
Uno de los estudios fundamentales que estudiamos en la física, es el análisis de eventos relacionados con la transmisión del calor, para hablar de ello debemos tener en cuenta un aspecto muy impo import rtan ante te y es que que l 'alo 'alo ( u&a $a&*( $a&*("a "a'*+ '*+& & ) la &gía ! la "$%a"ua ( la o$a & la .u $)*$o( la 'a&"*)a) ) (a &gía .u al$a'&a u& 'u%o, sí que lo primero que debemos tener en cuenta es saber cómo se mide, mide, el princi principal pal instrum instrument ento o de medici medición ón que se utiliz utiliza a para para analizar los fenómenos t!rmicos es "$+$"o, Para nosotros resulta habitual el uso de termómetro, sin embargo, para un mayor acercamiento a dichos fenómenos tenemos que dar cuenta de algunas leyes fundamentales:
L! 'o ) la "$o)*&/$* "$o)*&/$*'a: 'a: cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran en diferentes temperaturas, al cabo de un tiempo, dichos cuerpos se encontrarán en una temperatura nivelada "igual#, si a este sistema le agregamos un tercer cuerpo, este se nivelará con la temperatura de los otros dos$ %a ley anterior revela revela el concepto de .u*l*0*o "$*'o2 esta ley nos será muy &til para formular las ecuaciones de estado$
6, E7%l*'a 'o& "u( %o%*a( %ala0a( la *$ag& a&"*o a&"*o,, E('ala( E('ala( ) $)*'*+& $)*'*+&:: en la física y la química se utilizan tres escalas escalas de medición, medición, celsius celsius "centígrados "centígrados#, #, +elvin +elvin y ahrenheit$ ahrenheit$ -)isten más escalas, sin embargo, estas son las más utilizadas$ %as genera generalid lidade adess y aspecto aspectoss histór histórico icoss de dichas dichas esc escala alass de temperatura ya fueron o serán estudiadas en clase, un elemento importante es saber como realizar las conversiones entre unidades, esto esto es, repres represent entar ar por ejempl ejemplo, o, la medida medida de la temper temperatu atura ra tomada tomada en grados grados celsius celsius como como parte parte de una e)peri e)perienci encia, a, y representarla en grados .elvin o fahrenheit y viceversa, para ello nos referimos a las siguientes fórmulas o ecuaciones:
Para la conversión de grados celsius "'# a grados .elvin "+#
Para la conversión de grados .elvin a celsius$
4peras luego las cantidades de forma aritm!tica:
';+B=>?$@A Para la conversión de grados fahrenheit "# a celsius$
−
';
;?C,@= Puedes notar que al (nal de la conversión el grados celsius desaparece y se escribe , esto se realiza de manera conceptual para que la igualdad corresponda$
4, E7%l*'a 'o& "u( %o%*a( %ala0a( l %o')*$*&"o %a(o a %a(o (* .u*( 'o&9"* ;;
Para la conversión de grados celsius a fahrenheit$
;
+ 32
' a farenheit
+32
;
+;'<=>?$@A
<>
6; -;? 6 114 8@ ; 14 No ol9*)( g*("a & "u 'ua)&o lo( %o')*$*&"o(,
%o primero que hacemos es seleccionar la fórmula que nos será &til:
;
+ 32
%uego de tener clara la fórmula que nos sirve, observa que luego del igual tenemos un lugar para ubicar el dato que nos proponen convertir "'#, ahí colocamos el @>' y nos queda:
DU'E5 F8'05 P48 E'-8 P87- 3- -57 '%5-, 3-5'15 G 145 2-8-D45 -1 % P8HI0D, E57 P84174$
FÍSICA GRADO 8: TEMA #= guía #6 LEES FNDAMENTALES DE LA TERMODINAMICA ECACIONES DE ESTADO /0-12-1034 % '%5- '41 67U P84-548 3/4%50%%49 -n el capítulo anterior ya vimos de que se trataba la ley cero de la termodinámica, recordemos que el calor es la energía que se le suministra a un sistema para que la utilice y transforme su energía interna en movimiento o genere cambios de estado, para entenderlo un poco mejor tenemos que involucrar los conceptos de masa, 'alo (%'í'o ! 'a$0*o( ) "$%a"ua, -l concepto de masa ya lo debemos comprender de alguna manera* por medio de los cambios de temperatura evidenciamos que hubo alg&n cambio en la energía de un sistema físico, y el 'alo (%'í'o ( la 'a&"*)a) ) &gía &'(a*a %aa l9a la "$%a"ua ) u& )"$*&a)o $a"*al & 1
i
T ¿ =
3entro del par!ntesis lo que tenemos es temperatura (nal menos temperatura inicial, esto es, el cambio de la temperatura durante el proceso$
-l calor se mide en calorías 'al, el calor especí(co en calorías sobre gramo por grado 'elsius 'alg
1, Paa 'o$%&) lo .u ( "a0a3a/ a 'o&"*&ua'*+& &'(*"a l lo( (*gu*&"( "$a( %aa 'o)a2 al*5a u&a 09 'o&(ul"a 0u('a&)o .u .u)& lo $/( 'lao %o(*0l ! al*5a u& (u$& 'o& "u( %o%*a( %ala0a( & l 'ua)&o: - El 'o&'%"o ) "a0a3o ! &gía - E&gía '*&"*'a ! %o"&'*al - El %*&'*%*o ) 'o&(9a'*+& ) la &gía %uego de tener una claridad en torno a los temas anteriores, los cambios de energía se producen por medio de la transferencia de calor, para esto es que realizamos las mediciones por medio de un termómetro, por ejemplo$ -)isten tres maneras por medio de las cuales se trans(ere el calor:
Co&)u''*+&: cuando se trans(ere de un cuerpo sólido a otro, generalmente se requiere contacto$ Co&9''*+&: por medio de mezclas o acercamiento a líquidos o gases$ Ra)*a'*+&: -misiones de calor a distancia$ Ga sea desde una super(cie o sustancia$ 4bedeciendo al principio de conservación de la energía, un sistema físico consume calor para que su energía interna cambie, esto se evidencia por medio de la medición de la temperatura, al absorber o ceder calor, se realiza un trabajo para que sus partículas interact&en en mayor o menor manera, esto es lo que se conoce como la %*$a l! ) la "$o)*&/$*'a , el cambio en la energía interna se debe a la disminución o aumento del calor y el trabajo que realizan las partículas para moverse las partículas unas con otras$
%a forma matemática para e)presar lo anteriormente mencionado es: 'ambio en la energía interna ; calor absorbido o cedido < trabajo
-n este caso tenemos dos interrogantesQ sería más sencillo si tuvi!semos solo uno, pero el calor lo podemos hallar por medio de la siguiente ecuación: −
−
= +
i
T ¿ =
-n ese orden de ideas proponemos el análisis de la siguiente situación problema:
E3$%lo: ?+g de agua a temperatura ambiente se e)ponen a la cercanía de una super(cie que brinda calor y se va enfriando desde AM joules a =M joules hasta que el agua aumenta su temperatura a JM'$ N'uál es el trabajo realizado por el sistema físico para cambiar de temperaturaO -l calor especí(co del agua es de @ calg'$
3e la cuál tenemos la siguiente información:
m= c=
?+g
ca °
2amos a ubicar primero las fórmulas que nos conviene utilizar:
= −
= +
3e dicha formula tenemos la siguiente información: =
ou es
=
ou es =
=
=
Un aspecto importante es que no podemos mostrar la información en calorías y en joules, solo en una de las dos, en este caso, por simplicidad convertimos @ caloría a J,@CK joules, es decir, donde tenga escrito @ cal a cambio se coloca J,@CK joules$ 8eemplazando los valores anteriores en la fórmula para saber el calor que consume el agua para elevar su temperatura tenemos:
Q=( 3000 g )∗ 4,186
jou es °C
∗( 40 ° C −20 °C ❑)
hora, lo que hacemos sencillamente es realizar las operaciones indicadas "observa que escribimos la cantidad de agua en gramos#, al (nal de la resta "temperatura# y multiplicaciones tenemos:
-n termodinámica el S signi(ca p!rdida de energía, esto implica que se necesitaría que una fuente proporcionara =A@@?M joules para que la temperatura de ?.g de agua aumenten ?M'$
6, D a'u)o 'o& l 3$%lo a&"*o 'o$%l"a la (*gu*&" "a0la:
=
%o anterior muestra que se requiere de bastante energía para que una super(cie cercana eleve la temperatura de otra* el resultado del calor lo incluimos ahora en la fórmula para el cambio de la energía interna −
ou es −
= +
ou es =
ou es +
hora, lo que hacemos es restar en los dos lados del igual =A@@KM joules "una operación matemática se puede realizar a los dos lados de un igual, esto no altera la e)presión#:
ou es −
ou es −
ou es=
ou es +
−
ou es
3e manera que, al restar =A@@KM joules de =A@@KM joules nos da cero y queda solo el trabajo "R#a un lado del igual$ -s decir:
m
−
c
i
T ¿
1? Cal
4 Cal
H g
6H Cal 1?H Cal 16H Cal 18 Cal
1? Cal
1=HH g 1HHH g =HH g
48 Cal 1=H Cal ? Cal
8HH g
H,18 'alg
6
, Ju (u') & lo( )o( Kl"*$o( 3'*'*o( JC+$o *&"%"a( lo( (ul"a)o( o0"&*)o( ) a'u)o a la l! 'o PLANTEAMIENTO DE ECACIONES DE ESTADO
−
−
=
8eorganizando la igualdad: =
ou es −
ou es −
%uego de esto hacemos el cálculo num!rico =−
ou es
Para plantear ecuaciones de estado primero nos remitimos a la l! 'o ) la "$o)*&/$*'a: 5i dos cuerpos o sustancias a diferentes temperaturas se ponen en contacto, al cabo de un tiempo estarán en equilibrio t!rmico "iguales temperaturas#, si a este sistema físico agregamos un tercer cuerpo, al cabo de un tiempo lograrán una temperatura de equilibrio$
4, Ral*5a u& )*0u3o )o&) ( ) u& 3$%lo ) ("a l!2 7%lí'alo 'o& "u( %ala0a(,
-n la física constantemente se usan ecuaciones de estado para estudiar el comportamiento de diferentes sistemas físicos, poder determinar cuáles son las variables que afectan los cambios, en el caso de la ley cero, por medio de la medición de la temperatura inicial y teniendo claro que al cabo de un tiempo se llega al equilibrio t!rmico, seg&n los datos que nos d! un problema, podemos utilizar el álgebra para hallar las cantidades que nos hagan falta$ -n las ecuaciones de estado siempre habrá cuerpos o sustancias que cedan calor y otros que la absorban, revisemos la siguiente imagen:
=
−
T ¿
−
i
;
i
T ¿
-l primer lado del igual pertenece al agua caliente y el segundo lado del igual pertenece al agua fría$
=, "*l*5a&)o (u0í&)*'( %la&"a la 'ua'*+& ) ("a)o %aa u& 0lo.u ) 'o0 .u ( 'olo'a )&"o ) u& '*%*&" ) alu$*&*o .u 'o&"*& agua, Paa (a0 .u*& ') ! .u*& a).u* 'alo2 %*&(a .u l agua ! l alu$*&*o ("a0a& & .u*l*0*o ! l 0lo.u ("a0a $/( 'al*&", DU'E5 F8'05 P48 E'-8 P87- 3- -57 '%5-, 3-5'15 G 145 2-8-D45 -1 % P8HI0D, E57 P84174$
5i primero se mezcla el agua fría con el agua caliente al cabo de un tiempo estará tibia, teniendo en cuenta la ecuación del calor pensamos así:
