Escalas De Temperatura Y Principios De La Termodinámica ICIV PDF

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Tipo informe sobre el principio d arquimedes con algunas de sus aplicaciones, ejemplos y algunos ejercicios que se utilizan en este, para la ingenieria...

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Escalas De Temperatura Y Principios De La Termodinámica

Corporación Universitaria Minuto De Dios Ingeniería Civil – ICIV Física Fluidos Y Termodinámica NRC: 10068

Juan Esteban Rodríguez Quiroga ID: 752624 2021

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Tabla de contenido Temperatura ......................................................................................................................................3 Escalas De Temperatura .................................................................................................................3 Escala De Temperatura Celsius...................................................................................................4 Escala De Temperatura Fahrenheit ............................................................................................4 Escala De Temperatura Kelvin ....................................................................................................5 ¿Cómo se mide la temperatura? ....................................................................................................6 Fórmulas de temperatura ..............................................................................................................6 Conversión De Temperatura De Grados Celsius A Grados Fahrenheit: ......................................6 Conversión De Temperatura De Grados Fahrenheit A Grados Celsius: ......................................6 Conversión De Temperatura De Grados Celsius A Grados Kelvin ...............................................7 Ejemplos De Temperatura ..............................................................................................................7 Temperatura Corporal ................................................................................................................7 Temperatura Ambiente ..............................................................................................................7 Escalas De Temperatura .................................................................................................................8 Problemas Escalas De Temperatura ...............................................................................................8 Problema 1 .................................................................................................................................8 Problema 2 .................................................................................................................................9 Problema 3 .................................................................................................................................9 ¿Qué Son Las Leyes De La Termodinámica? .................................................................................10 Origen De Las Leyes De La Termodinámica ..................................................................................10 Primera Ley De La Termodinámica ...............................................................................................11 Segunda Ley De La Termodinámica ..............................................................................................12 Tercera Ley De La Termodinámica ...............................................................................................13 Ley “Cero” De La Termodinámica .................................................................................................14 Dilatación Térmica O Expansión Térmica .....................................................................................15 Dilatación Lineal .......................................................................................................................15 Dilatación Superficial ................................................................................................................16 Dilatación Cubica O Volumétrica ..............................................................................................17

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Temperatura La temperatura es una medida que describe el movimiento interno de las moléculas de un cuerpo. Se relaciona con la energía cinética de las moléculas de un material. Esto es, a mayor temperatura, las moléculas de un cuerpo se moverán con mayor velocidad, mientras que, a menor temperatura, la velocidad de las moléculas será menor. La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, la temperatura de un cuerpo es la misma en todas partes de ese cuerpo; si tenemos una barra de hierro de un metro con 25 ºC, y la partimos en dos, cada parte tendrá la misma temperatura. En el SI la unidad de temperatura es el kelvin (K).

Escalas De Temperatura

Las escalas Celsius y Fahrenheit son diferentes formas de medición de la temperatura. Las escalas de temperatura son rangos de medidas numeradas con las cuales registramos la temperatura de los cuerpos.

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Escala De Temperatura Celsius Esta escala se basa en las temperaturas de congelación y ebullición del agua: •

0 cuando se congela el agua;

•

100 cuando hierve el agua.

Entre estas dos lecturas, se divide en cien intervalos iguales que llamamos grados. La escala Celsius es la más usada en el mundo. Los valores de temperatura menores al punto de congelación del agua son valores negativos, por ejemplo, la temperatura del congelador en el refrigerador esta entre -15 y -22 ºC. Esta escala se llama así por el astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744).

Escala De Temperatura Fahrenheit En esta escala, la temperatura de congelación del agua es 32ºF (32 grados Fahrenheit) y la temperatura de ebullición del agua es 212ºF a la presión atmosférica estándar. Entre ambas lecturas hay 180 divisiones, o grados. La escala Fahrenheit es usada en los Estados Unidos, las islas Caimán, Bahamas y Belice. Fue propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) en 1724, usando una mezcla de agua hielo y cloruro de amonio la cual se congela a 0ºF (-17,78 ºC), la temperatura de una mezcla de hielo y agua 32ºF y la temperatura del cuerpo humano 96ºF.

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Escala De Temperatura Kelvin

El cero de la escala de Kelvin corresponde al punto donde la presión de los gases es cero. Llamada así por el físico inglés Lord Kelvin (1824-1907), esta escala se basa en la presión de los gases y se conoce también como la escala de temperatura absoluta. Un termómetro de gas muestra que la temperatura aumenta cuando la presión de un gas aumenta (en un volumen constante). En una situación imaginaria donde la presión del gas es igual a cero, la temperatura en grados Celsius es -273,15 ºC. Esto se cumple para todos los gases, por eso el cero en la escala Kelvin corresponde a -273,15 ºC:

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La escala de temperatura Kelvin es la unidad de medida de la temperatura en el SI y se abrevia K. En este caso NO se usa la palabra grado, simplemente kelvin, por ejemplo, el punto de congelación del agua es 273, 15 kelvins (K).

¿Cómo se mide la temperatura? Para medir la temperatura de un cuerpo, se coloca un termómetro en contacto con el cuerpo. El termómetro y el cuerpo al interactuar establecen un equilibrio entre ambos, y en ese punto leemos la temperatura del termómetro. Cuando dos cuerpos en contacto tienen la misma temperatura, se dice que están en equilibrio térmico. Este es el fundamento de la medición de temperatura por medio del termómetro; en realidad, el termómetro está midiendo su propia temperatura cuando está en equilibrio con otro cuerpo.

Fórmulas de temperatura Conversión De Temperatura De Grados Celsius A Grados Fahrenheit:

Ejemplo La temperatura de ebullición del alcohol etílico es 78,37ºC ¿Cuánto es en Fahrenheit?

El punto de ebullición del alcohol etílico es 173 ºF.

Conversión De Temperatura De Grados Fahrenheit A Grados Celsius:

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Ejemplo Cuando en Boston la temperatura es de 0 ºF ¿Cuánto es en grados Celsius?

Conversión De Temperatura De Grados Celsius A Grados Kelvin

Ejemplo La temperatura del centro de la Tierra es 6000 ºC. ¿Cuánto es en kelvin?

Ejemplos De Temperatura Temperatura Corporal La temperatura del cuerpo humano es en promedio de 37 ºC, 310,15 K o 98,6 ºF. Cuando una persona tiene una temperatura menor de 35ºC, se encuentra en estado de hipotermia, mientras que, por arriba de 37,5ºC, se habla de hipertermia o fiebre, dependiendo de la causa.

Temperatura Ambiente Hablamos de temperatura ambiente a la temperatura del aire que nos envuelve. Por convención, la temperatura ambiente ideal está entre 22 y 25 ºC.

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Tabla De Conversión Para Convertir

Usa Esta Ecuación 9 𝑇(°𝐹 ) = [ 𝑇(°𝐶)] + 32 5

Celsius a Fahrenheit

5 𝑇(°𝐶 ) = [ 𝑇(°𝐹)] − 32 9

Fahrenheit a Celsius

Celsius a Kelvin

𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶) + 273

Kelvin a Celsius

𝑇(°𝐶 ) = 𝑇(𝐾) − 273 5 𝑇(𝐾) = [ 𝑇(°𝐹 ) − 32] + 273 9

Fahrenheit a Kelvin

9 𝑇(°𝐹 ) = [ 𝑇(°𝐾) − 273] + 32 5

Kelvin a Fahrenheit

Escalas De Temperatura °𝐶 °𝐹 − 32 𝐾 − 273 𝑅 − 492 = = = 9 5 9 5

Problemas Escalas De Temperatura Problema 1 Expresa 540 K en escala centígrada y escala Fahrenheit.

540 𝐾 𝑇(°𝐶 ) = 𝑇(𝐾) − 273 = 540 − 273 = 267 °C

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9 9 ∗ 267) + 32 = 512.6 °𝐹 𝑇(°𝐹 ) = ( 𝑇(°𝐶)) + 32 = (5 5 Problema 2 Expresa en la escala Fahrenheit las siguientes temperaturas: a.

25 °C

9 9 𝑇(°𝐹 ) = ( 𝑇(°𝐶)) + 32 = ( ∗ 25) + 32 = 77 °𝐹 5 5 b.

360 K

𝑇(°𝐶 ) = 𝑇(𝐾) − 273 = 360 − 273 = 87 °𝐶 °C 9 9 𝑇(°𝐹 ) = ( 𝑇(°𝐶)) + 32 = ( ∗ 87) + 32 = 188.6 °𝐹 5 5

9 9 𝑇(°𝐹 ) = [ 𝑇(°𝐾) − 273] + 32 = [ ∗ (360 − 273)] + 32 = 188.6 °𝐹 5 5 c.

-5 °C

9 9 𝑇(°𝐹 ) = ( 𝑇(°𝐶)) + 32 = ( ∗ −5) + 32 = 23 °𝐹 5 5 Problema 3 La famosa novela Ray Bradbury “Fahrenheit 451” hace referencia a la temperatura a la que arde el papel. ¿A qué temperatura equivale en escala Celsius? ¿Y en escala absoluta de temperatura?

451 °𝐹 5 5 𝑇(°𝐶 ) = (𝑇(°𝐹 ) − 32) = (451 − 32) = 232.8 °𝐶 9 9 𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶 ) + 273 = 232.8 + 273 = 505.8 𝐾 9

¿Qué Son Las Leyes De La Termodinámica? Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres cantidades físicas fundamentales, la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan a los sistemas termodinámicos. El término «termodinámica» proviene del griego thermos, que significa “calor”, y dynamos, que significa “fuerza”.

Matemáticamente, estos principios se describen mediante un conjunto de ecuaciones que explican el comportamiento de los sistemas termodinámicos, definidos como cualquier objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano, hasta la atmósfera o el agua hirviendo en una cacerola). Existen cuatro leyes de la termodinámica y son cruciales para comprender las leyes físicas del universo y la imposibilidad de ciertos fenómenos como el del movimiento perpetuo.

Origen De Las Leyes De La Termodinámica Los cuatro principios de la termodinámica poseen orígenes distintos, y algunos fueron formulados a partir de los anteriores. El primero en establecerse, de hecho, fue el segundo, obra del físico e ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824. Sin embargo, en 1860 este principio volvió a formularse por Rudolf Clausius y William Thompson, añadiendo entonces la que hoy llamamos la Primera Ley de la Termodinámica. Más adelante apareció la tercera, también conocida como «postulado de Nerst» porque surgió gracias a los estudios de Walther Nernst entre 1906 y 1912. Finalmente, la llamada “ley cero” apareció en 1930, propuesta por Guggenheim y Fowler . Cabe decir que no en todos los ámbitos es reconocida como una verdadera ley. 10

Primera Ley De La Termodinámica

La primera ley se llama “Ley de la Conservación de la Energía” porque dicta que, en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes. O, dicho en otras palabras: la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse. De ese modo, al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse como el calor suministrado menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W. Como ejemplo de esta ley, imaginemos el motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico que consta de combustible que, al reaccionar químicamente durante el proceso de combustión, libera calor y efectúa un trabajo (que hace que el avión se mueva). Entonces: si pudiéramos medir la cantidad de trabajo realizado y de calor liberado, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo constante durante el vuelo: ni se creó ni se destruyó energía, sino que se la hizo 11

cambiar de energía química a energía calórica y energía cinética (movimiento, o sea, trabajo).

Segunda Ley De La Termodinámica

La segunda ley, también llamada «Ley de la Entropía», puede resumirse en que la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo. Eso significa que el grado de desorden de los sistemas aumenta hasta alcanzar un punto de equilibrio, que es el estado de mayor desorden del sistema. Esta ley introduce un concepto fundamental en física: el concepto de entropía (representada con la letra S), que en el caso de los sistemas físicos representa el grado de desorden. Resulta que en cada proceso físico en el que hay una transformación de energía, cierta cantidad de energía no es utilizable, es decir, no puede realizar trabajo. Si no puede realizar trabajo, en la mayoría de los casos esa energía es calor. Ese calor que libera el sistema, lo que hace es aumentar el desorden del sistema, su entropía. La entropía es una medida del desorden de un sistema.

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La formulación de esta ley establece que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. O sea, que: dS ≥ dQ / T. Para entender esto con un ejemplo, basta con quemar una cantidad determinada de materia y luego juntar las cenizas resultantes. Al pesarlas, comprobaremos que es menos materia que la que había en su estado inicial: parte de la materia se convirtió en calor en forma de gases que no pueden realizar un trabajo sobre el sistema y que contribuyen a su desorden.

Tercera Ley De La Termodinámica

La tercera ley plantea que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. Dicho en otras palabras: Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos de los sistemas físicos se detienen. Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), la entropía posee un valor mínimo constante. 13

Resulta difícil alcanzar cotidianamente el llamado cero absoluto (-273,15 ° C), pero podemos pensar esta ley analizando lo que ocurre en un congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán tanto, que se ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Por eso se retarda su descomposición y será apto su consumo durante mucho más tiempo.

Ley “Cero” De La Termodinámica

La “ley cero” se conoce con ese nombre, aunque fue la última en postularse. También conocida como Ley del Equilibrio Térmico, este principio dicta que: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Puede expresarse lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A= B. Esta ley nos permite comparar la energía térmica de tres cuerpos distintos A, B, y C. Si el cuerpo A se encuentra en equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también tiene la misma temperatura que C, entonces A y B poseen igual temperatura. 14

Otra forma de enunciar este principio es argumentar que al poner en contacto dos cuerpos con distintas temperaturas, intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan. Los ejemplos cotidianos de esta ley son fáciles de hallar. Cuando nos metemos en agua fría o caliente, notaremos la diferencia de temperatura solo durante los primeros minutos ya que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más la diferencia. Lo mismo ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella.

Dilatación Térmica O Expansión Térmica La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia. •

Lineal: Solidos.

•

Superficial: Solidos.

•

Cubica O Volumétrica: • • •

Solidos. Líquidos. Gaseosos.

Dilatación Lineal Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras...

𝐿0 𝑇0

∆𝐿 =∝ 𝐿0 ∗ ∆𝑇 ∆𝑇 = 𝑇𝐹 − 𝑇0 ∆𝐿 = 𝐿𝐹 − 𝐿0

𝐿 = 𝐿0 + ∆𝐿

𝐿 = 𝐿0 + ∝ 𝐿0 ∗ ∆𝑇

𝐿 = 𝐿0 (1+ ∝∗ ∆𝑇)

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∆𝐿

𝑇𝐹

𝐿

[∝] = (°𝐶)−1

∝𝐶𝑢 = 17 ∗ 10−6(°𝐶)−1

Ejercicio Una barra de cobre mide 90 cm cuando esta a 20°C. ¿Cuál será su longitud a 100°C? Dato: Coeficiente de dilatación lineal del cobre = 17 * 10 -6 (°C)-1

𝐿𝑂 = 90 𝑐𝑚

𝑇𝑂 = 20°𝐶

𝑇𝐹 = 100°𝐶

𝐿 =?

∝𝐶𝑢 = 17 ∗ 10−6 (°𝐶)−1

∆𝑇 = 𝑇𝐹 − 𝑇0 = 100°𝐶 − 20°𝐶 = 80°𝐶

𝐿 = 𝐿𝑂 (1+∝ ∆𝑇 − 𝑇0 = 100°𝐶 − 20°𝐶 = 80°𝐶

𝐿 = (90 𝑐𝑚) ∗ {1 + [17 ∗ 10−6 (°𝐶)−1] ∗ [80°𝐶 ]} 𝐿 = 90.12 𝑐𝑚

∆𝐿 = 𝐿𝐹 − 𝐿0 = 90.12 𝑐𝑚 − 90 𝑐𝑚 = 0.12 𝑐𝑚 = 1.2 𝑚𝑚

Dilatación Superficial Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas...

∝ ℎ𝑂

𝐴0 = 𝐿0 ∗ ℎ0

𝐴=𝐿∗ℎ

𝑇𝑂

𝐴 = 𝐿0 (1+ ∝∗ ∆𝑇) ∗ ℎ0 (1+ ∝∗ ∆𝑇 𝐴 = 𝐿0 ℎ0 (1+ ∝∗ ∆𝑇)2

𝐿0

𝑇𝐹 𝐴 𝐿 = 𝐿0 (1+ ∝∗ ∆𝑇)

ℎ = ℎ0 (1+ ∝∗ ∆𝑇)

𝐴𝑂 0 𝐴 = 𝐴0 (1 + 2 ∝ ∆𝑇 + ∝2 ∆𝑇 2 ) 𝐴 = 𝐴0 (1 + 2 ∝ ∆𝑇)

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Ejercicio ¿Cuál será el área de una placa de aluminio a 100°C si a 0°C su superficie mide 200 cm2? Dato: Coeficiente de dilatación lineal del aluminio = 24 * 10-6 (°C)-1

𝐴 =? 𝐴0 = 200 𝑐𝑚2

𝑇𝐹 = 100°𝐶 𝑇𝑂 = 0°𝐶

∝𝐴𝑙 = 24 ∗ 10−6 (°𝐶)−1

∆𝑇 = 𝑇𝐹 − 𝑇0 = 100°𝐶 − 0°𝐶 = 100°𝐶 𝐴 = 𝐴0 (1 + 2 ∝ ∆𝑇)

𝐴 = (200 𝑐𝑚2 ){1 + 2[24 ∗ 10−6 (°𝐶)−1 ] ∗ [100°𝐶 ]} 𝐴 = 200.96 𝑐𝑚2

Dilatación Cubica O Volumétrica Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de los jardines ...

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𝑉 = 𝑉0 + ∆𝑉 𝑉 = 𝑉0 + 𝛽𝑉𝑂 ∆𝑇

𝑉 = 𝑉0 (1 + 𝛽∆𝑇)

(𝛽) = (°𝐶)−1 Ejercicio

¿Cuánto aumenta un litro de mercurio cuando su temperatura eleva en 100°C? Dato: Coeficiente de dilatación volumétrico del mercurio = 180 * 10 -6 (°C)-1

𝑉0 = 1 𝐿 ∆𝑇 = 100°𝐶 𝑉 =?

𝛽𝐻𝑔 = 180 ∗ 10−6 (°𝐶)−1

𝑉 = 𝑉0 (1 + 𝛽∆𝑇)

𝑉 = (1 𝐿){1 + [180 ∗ 10−6 (°𝐶)−1 ] ∗ [100°𝐶 ]} 𝑉 = 1.018 𝐿

∆𝑉 = 𝑉𝐹 − 𝑉0 = 1.018 𝐿 − 1 𝐿 = 0.018 𝐿 = 18 𝑐𝑚3

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