RESUMEN PRIMER PARCIAL FISICA II

RESUMEN PRIMER PARCIAL FISICA II

TERMODINÁMICA: es la ciencia que estudia, interpreta y explica las interacciones energéticas que se establecen entre distintos sistemas.

Para analizar los sistemas los caracterizaremos mediante Variables Termodinámicas que describen su Estado (interno). Existen dos tipos de variables:

• Macroscópicas 🡪 Termodinámica. Se miden.
• Microscópicas 🡪 Mecánica Estadística. No se miden, se hacen especulaciones con las variables macroscópicas (usando instrumentos de medición).

Temperatura y la ley cero de la termodinámica:

CONTACTO TÉRMICO: imagine dos objetos situados en un recipiente aislado de manera que interactúen entre sí, pero con el resto del mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía. La energía intercambiada entre objetos gracias a una diferencia en su temperatura recibe el nombre de calor.

Dos objetos se encuentran en contacto térmico entre sí si se puede intercambiar calor entre ellos.

EQUILIBRIO TÉRMICO: es una situación en la que dos objetos en contacto térmico uno con otro dejan de tener cualquier intercambio de calor.

Ahora consideramos dos objetos A y B, los cuales no están en contacto térmico, y un tercer objeto C, que es nuestro termómetro. Deseamos determinar si A y B están en equilibrio térmico entre sí. El termómetro se coloca primero en contacto térmico con A hasta que se alcance el equilibrio térmico. De ese momento en adelante, la lectura del termómetro permanece constante y la registramos. Luego el termómetro se retira de A y se pone en contacto térmico con B, y su lectura se registra después de que se alcanza el equilibrio térmico. Si las dos lecturas son iguales, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

Esto nos lleva a definir la ley cero de termodinámica (ley de equilibrio): si los objetos A y B por separado están en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí, si se ponen en contacto térmico.  

TEMPERATURA: propiedad que determina si un objeto está o no en equilibrio térmico con los otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura. Inversamente, si dos objetos tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.  

TERMÓMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURA

Los termómetros son instrumentos que se usan para definir y medir la temperatura de un sistema. Todos ellos aprovechan el cambio en alguna propiedad física con la temperatura. Algunas de estas propiedades son:  

1. El cambio de volumen de un líquido.
2. El cambio de longitud de un líquido.
3. El cambio de presión de un gas a volumen constante.
4. El cambio de presión de un gas a presión constante.
5. El cambio de resistencia eléctrica de un conductor.
6. El cambio de color de algún objeto.

Tipos de termómetros:

• De líquidos: limitados por su solidificación y ebullición.
• De gases: dilatan más que los líquidos 🡪 son más precisos.
• Pirómetros: para medir temperaturas elevadas: de presión, resistencia eléctrica, ópticos.

Los termómetros más comunes en el uso cotidiano constan de una masa de líquido, que suele ser mercurio o alcohol, que se expande dentro de un tubo de vidrio cuando se calienta. En este caso la propiedad física es el cambio en el volumen de un líquido. Cualquier cambio de temperatura puede definirse como proporcional al cambio de longitud de la columna líquida.

Es posible calibrar el termómetro poniéndolo en contacto térmico con algunos sistemas naturales que permanecen a temperatura constante (como el punto de congelación o de ebullición).

Un problema practico adicional en cualquier termómetro es un limitado intervalo de temperatura. Un termómetro de mercurio, por ej, no puede emplearse debajo del punto de congelación del mercurio (-39°C), y un termómetro de alcohol no es útil para temperaturas sobre 85°C.

Para evitar estos problemas, necesitamos un termómetro universal: el termómetro a gas.

El termómetro de gas a volumen constante y la escala kelvin: en un termómetro a gas, las lecturas de temperatura son casi independientes de la sustancia utilizada en el termómetro. Una versión es el termómetro de gas a volumen constante, mostrado en la figura 2.  

[pic 1]  [pic 2]

La propiedad fisica que se explota en este dispotivo es la forma en que varía la presion de un volumen fijo de gas con la temperatura.

Si quisieramos medir la temperatura de una sustancia, pondriamos el matraz de gas en contacto térmico con la sustancia y ajustariamos la altura de la columna de mercurio hasta que el gas ocupara su volumen especificado. La altura de la columna de mercurio nos indicaria la presion del gas, entonces podriamos encontrar la temperatura de la sustancia.  

LAS ESCALAS DE TEMPERATURA: Celsius, Fahrenheit y Kelvin.

Celsius – Kelvin:[pic 3]

[pic 4]

El cambio de temperatura en escala C es igual en la escala K: [pic 5]

Gracias a que el tamaño del grado es el mismo en las dos escalas, una diferencia de temperatura de 5°C es igual a una diferencia de temperatura de 5K. Las dos escalas difieren sólo en la elección del punto cero. Por consiguiente, el punto de congelación (273.15 K) corresponde a 0.00°C y el punto de ebullición (373.15 K) es equivalente a 100°C.

Celsius – Fahrenheit:

La escala Fahrenheit fija la temperatura del punto de congelación en 32°F y la temperatura del punto de ebullición en 212°F. La relación entre la escala de temperatura Celsius y Fahrenheit es:

[pic 6]

[pic 7]

[pic 8]

EXPANSIÓN (DILATACIÓN) TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS:

Expansión o dilatación térmica: es la variación de volumen que sufren los cuerpos cuando cambia su temperatura (conforme aumenta su temperatura, crece su volumen).

La expansión térmica total de un cuerpo es una consecuencia del cambio en la separación promedio entre sus átomos o moléculas constituyentes. Para comprender esto, consideramos como se comportan los átomos en una sustancia sólida, Imaginamos que los átomos del sólido están conectados por medio de un conjunto de resortes rígidos, como en la figura 6:

[pic 9][pic 10]

A temperaturas ordinarias, los átomos vibran en torno a sus posiciones de equilibrio con una amplitud de aproximadamente  y a una frecuencia cercana a . El espaciamiento promedio entre los átomos es casi de . A medida que la temperatura del solido aumenta, el átomo vibra con amplitudes más grandes y se incrementa la separación promedio entre ellos. En consecuencia, el sólido se expande. Si la expansión térmica de un objeto es suficientemente pequeña en comparación con sus dimensiones iniciales, entonces el cambio en cualquier dimensión, hasta una buena aproximación, depende de la primera potencia del cambio de temperatura.[pic 11][pic 12][pic 13]

Suponga que un objeto tiene una longitud inicial  a lo largo de alguna dirección a cierta temperatura, y que la longitud aumenta en una cantidad  por el cambio de temperatura . Los experimentos muestran que cuando  es pequeña,  es proporcional a  y a .[pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20]

Dilatación/expansión lineal (sólidos): es el aumento de longitud producido en una barra de longitud unidad cuando se calienta en 1°C. [pic 21]

[pic 22]

      🡪     [pic 23][pic 24]

 🡪 coeficiente de dilatación lineal (°)[pic 25][pic 26]

Dilatación/expansión superficial (solidos): [pic 27]

[pic 28]

   🡪   [pic 29][pic 30]

 🡪 coeficiente de dilatación superficial (°)[pic 31][pic 32]

[pic 33]

Puede ser útil considerar a la expansión térmica como un aumento efectivo o como la ampliación fotográfica de un objeto cuando se calienta.

[pic 34]

El cambio de volumen a presión constante es proporcional al volumen original V y al cambio en la temperatura de acuerdo con la relación:  (ecuación 6). Donde  es el coeficiente promedio de expansión volumétrica. Para un sólido el coeficiente de expansión volumétrica es aproximadamente tres veces el coeficiente de expansión lineal, o . Por lo tanto, la ecuación 6 puede escribirse como: .[pic 35][pic 36][pic 37][pic 38]

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