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Física termica y termodinamica
Conceptos
equilibrio termico
cuando dos cuerpos entran en contacto con una temperatura constante
Cuando dos masas están en Temperaturas diferentes y entran en contacto, la de mayor le transmitirá el calor al menor y en cierto punto se encontraran en un equilibrio térmico o a una igual temperatura
Cambios de fase
Fases de la materia
Absorben energia
Vaporización (liquido a gaseoso)
Sublimación ( solido a gaseoso)
Fusión ( solido a liquido)
Liberan energia
Solidificación (liquido a solido)
Sublimación inversa (gaseoso a solido)
Condensación (gaseoso a liquido)
Leyes
Temperatura crítica/punto crítico
A una determinada presión atmosférica, los cuerpos solo pueden cambiar de fase a una temperatura bien definida llamada “temperatura crítica” o “punto crítico”;
Estando en su punto crítico, para que cada gramo de material pueda cambiar de fase se le debe ceder o extraer una cantidad de calor Q por unidad de masa m, llamada calor latente de cambio de fase “L”.
Cambio de fase
La temperatura del material se mantiene constante
El calor latente absorbido o liberado por un cuerpo para cambiar de fase será el mismo que requiera liberar o absorber, respectivamente, para revertir dicho cambio.
gases ideales
Variables
Las que describen el estado de un gas.
Ecuaciones
Es una relación entre las variables macroscópicas presión, volumen, temperatura y cantidad de
sustancia. Donde M es la masa de una mol de gas
(masa molar o peso molecular).
Ley de Charles y Gay Lussac
V/T = constante (P= cte)
P/T = constante (V= cte)
Ley de conservación de energía o adiabático
Q = constante (Q= cte)
Ley de Boyle
PV = constante (T=Constante)
la agitación térmica no cambia
Que és
Cada molécula se comporta como si estuviera aislada del resto y se considera con masa m en cerrado en un cilindro de volumen V, a una presión p y temperatura T.
Se asume
La depreciación de la interacción de las moleculas
Cada partícula de gas tiene volumen cero.
Constantes
Constante de Boltzmann
Constante universal de
los gases
Diagramas P-V
Cuando V es cte
Cuando P es cte
Calor y temperatura
calor
Se define como la energía en tránsito que fluye, natural y espontáneamente, desde un cuerpo o sistema más caliente hacia otro más frio.
Es una magnitud escalar y se mide en joules (J) o calorias (cal)
temperatura
Es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo o sistema.
Es una magnitud escalar y se puede expresar en grados Celsius, Fahrenheit o kelvin.
termometros
tipos
La resistencia de una pieza de metal
La presión de un gas en un contenedor de volumen constante
Por volumen de un liquido (alcohol o mercurio)
escalas
Escala Celsius
Fusión del hielo 0 = grados
Ebullición del agua = 100 grados
Kelvin
0 Kelvin = lo más bajo teóricamente posible
Fusión del hielo = 273 K
Ebullición del agua = 373 K
Formas de transmisión del calor
Conducción
El calor (energía) se transmite de una partícula a otra, avanzando paulatinamente por el material. (solo se da en solidos)
Convección
Corresponde a la transmisión del calor en los fluidos (líquidos y gases), mediante corrientes cálidas ascendentes y frías descendentes.
Radiación
Corresponde a la transmisión del calor por medio de ondas electromagnéticas (principalmente del espectro infrarrojo), pudiendo viajar grandes distancias a través del vacío, sin calentar el espacio intermedio.
Dilatación y contracción
cuerpos lineales
En la naturaleza todos los cuerpos poseen 3 dimensiones: alto, largo y ancho. En algunos cuerpos una (o dos) de esas dimensiones puede ser mucho menor que las demás y, por tanto, despreciable respecto de las otras. Cuando un cuerpo posee una sola dimensión importante, siendo las otras dos despreciables respecto de la primera, se dice que es un cuerpo “lineal”.
Dilatación y contracción: Al variar la temperatura de un cuerpo lineal su longitud cambia, aumentando si esta se eleva o disminuyendo si decrece. Así, el cuerpo se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse.
Efectos
Cambios de fase
Deformación
Incandescencia
Disminución de tamaño (contracción)
aumento de tamaño (dilatación)
Cuerpos superficiales
Los cuerpos superficiales poseen dos dimensiones importantes (largo y ancho), siendo la tercera (alto) despreciable respecto de las otras dos; en este caso se dice que el cuerpo es “superficial”.
Dilatación y contracción: Al variar la temperatura de un cuerpo superficial su área o superficie cambia, dilatándose al calentarse o contrayéndose al enfriarse.
Cuerpos volumetricos
Cuando todas las dimensiones de un cuerpo son relevantes, no existiendo dimensiones despreciables respecto de las demás, entonces se dice que el cuerpo es “volumétrico”.
Dilatación y contracción: afecta el volumen del cuerpo; todas las dimensiones del cuerpo “crecen o se encogen” de forma relevante al variar su temperatura.
anomalías del agua
En general los materiales se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Sin embargo, cuando enfriamos agua, a partir de los 4 [C] comienza a dilatarse, aún cuando su temperatura siga disminuyendo.
Si tenemos agua a 0 [C], al aumentar su temperatura comienza a contraerse, al contrario de lo esperado; esto sucede así hasta los 4 [C]. A partir de esta temperatura el agua comienza a comportarse de manera “normal”, es decir, se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse.
Capacidad calórica y calor especifico
Capacidad calorica
Es la cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder para elevar o disminuir, respectivamente, su temperatura en 1 [C]. Se designa por la letra C y mientras mas tenga un cuerpo mas difícil será calentarlo o enfriarlo
Se calcula como
unidades
Calor especifico
Se define como la capacidad calórica por unidad de masa. Es característica de cada material
Se calcula como
unidades
Ley de enfriamiento de Newton
Definición
Si la diferencia entre la temperatura de un cuerpo y la del ambiente en el que se encuentra no es demasiado grande, la temperatura del cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a dicha diferencia.
Grafica
Es una relación empírica y expresa que la cantidad de calor que fluye en la unidad de tiempo hacia el cuerpo, o desde él, es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente.
Roce y calor
La fricción entre dos superficies provoca la interacción de electrones produciendo así interacciones del tipo electromagnético convirtiendo la energía disipada en calor
Principio calorimétrico de mezclas
La mezcla de dos materiales de distinta temperatura donde el calor no entre ni escape (sistema adiabático) genera que el calor del material de mayor temperatura sea absorbido por el de menor temperatura
Leyes de la termodinámica
1ra ley
La primera ley de la termodinámica establece una relación fundamental entre la energía interna de un sistema y la energía que intercambia con su entorno en forma de calor o trabajo. En esencia, esta ley expresa que la variación de la energía interna de un sistema es igual a la suma del trabajo realizado sobre él y la transferencia neta de calor hacia o desde él.
formula
U = Q + W
donde U es la energía interna del sistema. Q es el calor transferido hacia o desde el sistema y W es el trabajo neto del sistema
2da ley
La entropía (el desorden) de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.
formula
∆ S = ∆ Q/T
Donde ∆ S es la entropía del sistema. ∆ Q es la variación del calor y T es la temperatura
Ejemplos de la vida cotidiana
Calor constante (Adiabatico)
Compresión del pistón en una bomba para inflar la llanta de una bicicleta
Volumen constante (Isocorico)
Cocinar alimentos dentro de una olla express
Presión constante (Isobárico)
Ebullición del agua en un recipiente abierto
Temperatura constante (Isotermico)
Evaporación del agua o fusión del hielo
