1.- Enerxía interna! Temperatura! Calor! Dilatación! Cambios de estado! Transmisión do calor! 8

Transcript

1 1.- Enerxía interna! Temperatura! Termómetros! Calor! Calor específico! Equilibrio térmico! Dilatación! Dilatación de sólidos! Dilatación de líquidos! Dilatación gases! Cambios de estado! Transmisión do calor! Conducción! Convección! Relacion entre trabajo y calor! Maquina térmica! Máquina frigorífica! Tabla de valores! 13 1

2 1.- Enerxía interna É a suma das enerxías cinética e potenciais de todas as partículas que forman o sistema. A enerxía interna é unha magnitude extensiva, xa que depende da masa do sistema. 2.- Temperatura É unha medida da enerxía cinética media das partículas do sistema. Para asignar valores de temperatura aos corpos confeccionáronse as escalas termométricas. Estas utilizan uns puntos de referencia, denominados puntos fixos, que son fáciles de reproducir e o seu valor non varía co tempo. Os puntos fixos que se adoitan elixir son o punto de fusión do xeo e o punto de ebulición da auga, e segundo o valor que se lle asigne e as divisións que se realicen teremos as diferentes escalas termométricas. As escalas mais usadas actualmente son: Celsius, Kelvin e Fahrenheit Escala Celsius: Debe o seu nome a físico sueco Anders Celsius que asigno 0 e 100 como valores aos puntos fixos e fixou o valor do grao Celsius ( C) como a centésima parte do intervalo de temperatura comprendido entre eses dous puntos fixos. Escala Kelvin ou absoluta: Nela o tamaño dos graos é o mesmo que na Celsius, pero o cero da escala fíxase no C. No cero absoluto de temperaturas desaparece a axitación molecular, polo que, segundo o significado que a teoría cinética atribúe á magnitude temperatura, non ten sentido falar de valores inferiores a el. O cero absoluto constitúe un límite inferior natural de temperaturas, o que fai que na escala Kelvin non existan temperaturas baixo cero (negativas). A relación coa escala Celsius vén dada pola ecuación: T(K) = t( C) Escala Fahrenheit ( F): Nos países anglosaxóns pódense atopar aínda termómetros graduados en está escala, proposta por Gabriel Fahrenheit en A escala Fahrenheit difire da Celsius tanto nos valores asignados aos puntos fixos, como no tamaño dos graos. Así ao primeiro punto fixo atribúeselle o valor 32 e ao segundo o valor 212.! Equilibrio térmico : Dous corpos están en equilibrio térmico cando teñen a mesma temperatura.! Termómetros É un sistema que alcanza ou equilibrio térmico con outros sistemas ao porse en contacto. Este sistema ten que ter unha propiedade que varie coa temperatura Tipos de termómetros: Termómetro de mercurio: é un tubo de vidro selado que contén un líquido, xeralmente mercurio ou alcol coloreado, cuxo volume cambia coa temperatura de xeito uniforme. Este cambio de volume visualízase nunha escala graduada. O termómetro de mercurio foi inventado por Fahrenheit no ano

3 Pirómetro óptico: fundaméntanse en que a cor da radiación varía coa temperatura. A cor da radiación da superficie a medir compárase coa cor emitida por un filamento que se axusta cun reostato calibrado. Utilízanse para medir temperaturas elevadas, desde 700 C ata C, ás cales irrádiase suficiente enerxía no espectro visible para permitir a medición óptica. Termómetro de gas: Poden ser a presión constante ou a volume constante. Este tipo de termómetros son moi exactos e xeralmente son utilizados para a calibración doutros termómetros. Termopar: un termopar é un dispositivo utilizado para medir temperaturas baseado na forza electromotriz que se xera ao quentar a soldadura de dous metais distintos. 3

4 Termómetro de resistencia: consiste nun arame dalgún metal (como o platino) cuxa resistencia eléctrica cambia cando varia a temperatura. Termistor: é un dispositivo que varía a súa resistencia eléctrica en función da temperatura. Termómetros dixitais: son aqueles que, valéndose de dispositivos transductores como os mencionados, utilizan logo circuítos electrónicos para converter en números as pequenas variacións de tensión obtidas, mostrando finalmente a temperatura nun visualizador. 3.- Calor Enerxía que se transfire dun sistema a outro que están en contacto e a diferente temperatura ou, cando se produce un cambio de estado. A súa unidade no S.I. é o Xullo (J). Tamén se usa a caloría (cal), que se define como a enerxía que hai que fornecer a 1 g de auga para que a súa temperatura suba un grao centígrado dende 14,5 a 15,5 calor O calor(q) é directamente proporcional a masa do sistema e a diferenza de temperatura! Calor específico! É a calor que hai que suminstrar a un corpo de masa un Kg para que a súa temperatura aumente un grao. calor específico A calor intercambiada entre dous corpos pódese escribir matemáticamente da seguinte forma. Se t f > t i a calor é positiva, o corpo absorve enerxía Se t f < t i a calor é negativa, o corpo cede enerxía! Equilibrio térmico Cando dous corpos se pon en contacto a diferente temperatura, o corpo que esta a mais temperatura cede calor ao outro corpo ata que se igualen as temperaturas. O corpo mais quente perde enerxía e a súa temperatura diminúe, o corpo mais frío absorbe enerxía e a súa temperatura aumenta. equilibrio térmico 4

5 mezclas 4.- Dilatación Denomínase dilatación ao cambio de tamaño que experimenta un corpo cando se lle fornece enerxía térmica.! Dilatación de sólidos Pode ser lineal, superficial e cúbica. Dilatación lineal: cando unha das tres dimensións é moito maior que as outras dúas( cable, raíl,...). Cando se quenta un corpo a variación de lonxitude depende da lonxitude inicial, da variación de temperatura e do tipo de material, matematicamente escríbese: m coeficiente de dilatación lineal Dilatación superficial: cando dous das tres dimensións son moito maiores que a outra(lámina, ferro, folla...). Cando se quenta un corpo a variación da súa superficie depende da superficie inicial, da variación da temperatura e do tipo de material, matematicamente escríbese b coeficiente de dilatación superficial Dilatación cúbica: a variación de volume depende do volume inicial, da variación da temperatura e do tipo de material, matematicamente escríbese:! Dilatación de líquidos Como o líquido carece de forma propia, só pode ter sentido falar de dilatación cúbica, pois as súas dimensións dependen do recipiente que o contén, observándose un ascenso do nivel do fluído A B C debido a que en xeral, os líquidos dilátanse máis que os sólidos e en particular, que o vidro, sendo o seu dilatación volumétrica unhas dez veces maior que a dos sólidos. En consecuencia. Para determinar a dilatación absoluta ou verdadeira dun líquido deberase considerar a dilatación que experimenta o recipiente que o contén. Se Vo é o volume que ocupa o líquido á temperatura de 0 ºC, e Vro o volume do recipiente á temperatura de 0 ºC, se se 5

6 aumenta a temperatura en t ºC volume verdadeiro do líquido Vt volume do recipiente dilatado Vrt Vrt Vt = ΔVr, diferencia de volume Como o volume aparente é menor que o volume verdadeiro que ocupa o líquido debido a que o recipiente ensánchase ao dilatarse, polo tanto o nivel do liquido diminúe, o volume verdadeiro do líquido a temperatura t será a suma do volume aparente medido mais o aumento do volume que experimenta o recipiente. Vt = Vo + ΔVr Con todo, o líquido máis común, a auga, non se comporta como os outros líquidos. Entre 0 e 4ºC a auga líquida contráese ao ser quentada, e dilátase por encima dos 4ºC, aínda que non linealmente. Con todo, se a temperatura decrece de 4 a 0ºC, a auga dilátase en lugar de contraerse. Dita dilatación ao decrecer a temperatura non se observa en ningún outro líquido común; observouse en certas sustancias do tipo da goma e en certos sólidos cristalinos en intervalos de temperatura moi limitados, un fenómeno similar. O gráfico describe a variación da densidade d da auga coa temperatura. Como a densidade dun corpo é a súa masa (m) dividida polo seu volume (V), ou sexa; tense que a densidade da auga é inversamente proporcional ao seu volume durante a variación de temperatura, pois a masa permanece constante. Así, desde 0 C a 4 C a densidade da auga aumenta co arrequecemento, pois o seu volume diminúe; a partir de 4ºC a densidade da auga diminúe co arrequecemento, porque o seu volume aumenta.la densidad del agua es máxima a 4ºC y su valor es 1,0000 g/cm 3. En todas las outras temperaturas a súa densidade é menor. Este comportamento da auga é a razón pola que nos lagos conxélase primeiro a superficie, e é en definitiva o que fai posible a vida subacuática. 6

7 ! Dilatación gases Se consideramos que o gas esta a presión cte, ao aumentar a temperatura aumentamos o seu volume 5.- Cambios de estado Cando a un sólido dámoslle enerxía térmica aumentamos a súa temperatura, as partículas que forman o sólido aumentan a súa enerxía cinética e as forzas que as unen vólvense máis débiles, polo que poden realizar desprazamentos, empézase a converter nun líquido, dise que o sólido esta realizando un cambio de estado denominado fusión. O proceso á inversa, é dicir, o paso de líquido a sólido denomínase solidificación. Mentres dura este proceso a temperatura non varia. Denomínase punto de fusión á temperatura á cal un sólido fúndese, e é unha característica de cada sólido. Se seguimos fornecendo enerxía térmica ao líquido, aumenta a súa temperatura, ata que chega un momento en que a enerxía absorvida pola molécula do líquido faia escapar, dise que o líquido se esta transformando en gas, hai un cambio de estado denominado vaporización. O proceso á inversa, o cambio de gas a líquido chámase licuación.!mentres dura este cambio de estado a temperatura non varia. Denomínase punto de vaporización ou de ebulición á temperatura á cal un líquido convértese en gas e é unha característica de cada líquido. 7

8 Denomínase calor latente L á cantidade de enerxía térmica que hai que fornecer a un quilogramo dunha sustancia pura para que cambie de estado, a unha presión determinada e á temperatura de cambio de estado.! Calor de fusión Calor de vaporización cambio estado 6.- Transmisión do calor A calor entre os corpos transmitese de diferentes formas: conducción, convección e radiación.! Conducción Cando quentamos unha agulla cun misto observamos que a punta por onde o suxeitamos quéntase. Esta observación demostra que a calor condúcese a través da agulla. A propagación da calor a través da condución caracterízase por:! Existe un medio material a través del cual se propaga el calor! Transmítese a calor sen transporte de materia. A condución da calor en moitos materiais pode visualizarse como resultado dos choques moleculares, como no caso de g a s e s, líquidos e o u movemento de electróns vibracións ou da rede cristalina, como o caso dos sólidos. Ao chocar as moléculas quentes, rápidas, súas máis coas veciñas 8

9 frías, máis lentas, transfírenlles algo da súa enerxía, e a velocidade das veciñas aumenta tamén. Así, a enerxía asociada ao movemento térmico propágase (condución). O mesmo pode dicirse para os sólidos respecto do movemento dos electróns ou as vibracións da rede cristalina. A conductividad térmica é unha propiedade intrínseca dos materiais que valora a capacidade de conducir a calor a través deles. O valor da conductividad varía en función da temperatura á que se atopa a substancia, polo que adoitan facerse as medicións a 300 K co obxecto de poder comparar uns elementos con outros.é elevada en metais e en xeral en corpos continuos, e é baixa nos gases (a pesar de que neles a transferencia pode facerse a través de electróns libres) e en materiais iónicos e covalentes, sendo moi baixa nalgúns materiais especiais como a fibra de vidro, que se denominan por iso illantes térmicos. Para que exista condución térmica fai falta unha sustancia, por iso é polo que é nula no baleiro ideal, e moi baixa en ambientes onde se practicou un baleiro elevado.! Convección Aínda que os líquidos e os gases non adoitan ser moi bos condutores de calor, poden transmitilo por convección. A propagación da calor a través da convección caracterízase por:! Existe un medio material fluído a través do cal propágase a calor! A densidade do medio varía coa temperatura e a gravidade xoga u n rol! importante, sen ela non hai convección.! A calor transmítese con transporte de materia. Mentres que a condución implica moléculas e/ou electróns que se moven pequenas distancias e chocan, na convección intervén o movemento de moitas moléculas ao longo de distancias macroscópicas. Os fluídos, ao quentarse, aumentan de volume e, polo tanto, a súa densidade diminúe e ascenden desprazando o fluído que se atopa na parte superior e que está a menor temperatura. O que se chama convección en si, é o transporte de calor por medio das correntes ascendente e descendente do fluído.se quentamos no aire, o aire que descansa sobre un radiador ou calquera tipo de quentador expándese, polo que diminúe a súa densidade; por mor da súa menor densidade, elévase. As correntes oceánicas, quentes ou frías, como a corrente do Golfo, son un exemplo de convección natural a gran escala. O vento é outro exemplo de convección e o clima, polo xeral, é o resultado de correntes convectivas de aire.cando se quenta unha pota con auga, desátanse correntes de convección na medida en que a auga quente do fondo sobe, debido á súa menor densidade, e é substituída pola auga máis fría da parte superior. Este principio úsase en moitos sistemas de calefacción, como o dos radiadores de auga quente. Polo xeral nos sistemas de calefacción por auga (radiadores), colócase unha caldeira que quente a auga o soto do un edificio, a auga cliente sobe polos caños e circule polo sistema. Así a auga quente entra aos radiadores; estes transfiren a calor ao aire por condución, e a auga arrefriada regresa ao soto e é quentada novamente 9

10 ! Radiación Na condución e a convección é necesaria a presenza da materia. A vida sobre a Terra depende da transferencia de enerxía solar, e esta chega ao noso planeta atravesando o espazo. Esta forma de transferencia de enerxía é a calor - a temperatura do Sol é moito maior (6 000 K) que a da Terra- e denomínase radiación. A calor que recibimos dun fogar é principalmente enerxía radiante (a maior parte do aire que se quenta na cheminea sobe polo tiro mediante convección e non chega ata nós), o mesmo ocorre coa calor dunha estufa eléctrica. A propagación da calor a través da radiación caracterízase por:! Non é necesario que exista un medio material para que se produza a radiación.! A calor transmítese sen transporte de materia. A radiación consiste esencialmente en ondas electromagnéticas. A radiación do Sol prodúcese principalmente na zona visible e noutras lonxitudes de onda ás que o ollo non é sensible, como a infravermella, que é a principal responsable do arrequecemento da Terra. Unha aplicación práctica está nos termos utilizados para manter a temperatura dos líquidos como o café. Un termo ten dobres paredes de vidro, habéndose baleirado de aire o espazo entre devanditas paredes para evitar as perdas por condución e convección. Para reducir as perdas por radiación, cóbrense as paredes cunha lámina de prata que é altamente reflectora e polo tanto, mal emisor e mal absorbedor da radiación. 7.- Relacion entre trabajo y calor No ano 1845 o físico británico James Joule deseñou un experimento como o do debuxo, para determinar la equivalencia entre el calor y el trabajo. A pesa baixa cunha velocidade constante, polo tanto perde enerxía potencial. W = m.g.h A caida da pesa fai xirar as aspas dentro da auga, que por fricción se calienta Q = ma. ce.d T m.g.h = ma. ce.d T Suponse que non hai perdidas de enerxía polas paredes illantes, no rozamento das 10

11 poleas, na absorción do calor polas paletas,.. Joule atopou que sempre que a auga recibía unha caloría, as pesas realizaban un traballo de 4,18 J! Maquina térmica Está formado por un sistema termodinámico que absorbe calor do foco quente realiza traballo e cede calor ao foco frío. Foco quente T1 Q1 > 0: calor absorbida do foco quente Q1 Q2 < 0: calor cedida ao foco frío W > 0: traballo producido Sistema W Q2 Foco frío T2 11

12 ! Máquina frigorífica Sistema termodinámico sobre o que se realiza traballo para que absorba calor do foco frío e cédao ao foco quente Foco quente T1 Q1 > 0: calor cedida ao foco quente Q1 Q2 < 0: calor absorvida do foco frío W > 0: traballo feito Sistema W Q2 Foco frío T2 Congelador Termostato Compresor freón Retorno freón caliente Refrigerador del freón comprimido Freón comprimido caliente 12

13 8.- Tabla de valores Substancia Estado ce Tª fusión Lf (KJ/Kg) Tª ebullición Lv (KJ/Kg) Aluminio sólido , Cobre sólido Etanol líquido ,3 846 Gasolina líquido Oro sólido ,33 12, ,4 Hierro sólido Plomo sólido ,3 22, Mercurio líquido ,9 11,73 356,7 285 cera de sólido 2500 parafina Agua gas 2080 Agua líquido Agua sólido Oxígeno gas 918 Aire (en condiciones típicas de habitación) gas