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LEY CERO DE LA TERMODINAMICA 2

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Academic year: 2020

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(1)

Ley cero de la termodinámica

(2)

Temperatura

T1 T2

(3)

Temperatura

T1 T2

Dos sistemas en contacto con una pared diatermica:

La temperatura es la propiedad que indica la

dirección de flujo de energía entre los sistemas

(4)

Temperatura

T1 T2

Dos sistemas en contacto con una pared diatermica:

La temperatura es la propiedad que indica la

dirección de flujo de energía entre los sistemas

Dos sistemas en equilibrio mediante una pared

diatérmica están a la misma temperatura

×

T1 = T2

(5)

observación experimental:

Sistema A Sistema B Sistema C

X

X

S i A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n B y a s u v e z B e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C , e n t o n c e s A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C

(6)

observación experimental:

Sistema A Sistema B Sistema C

X

X

S i A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n B y a s u v e z B e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C , e n t o n c e s A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C

Ley cero de la termodinámica

La condición de equilibrio térmico es transitiva

(7)

La Ley cero:

Permite definir la variable no mecánica temperatura,

(8)

La Ley cero:

Permite definir la variable no mecánica temperatura,

T , y su medición

Asegura que existe relación funcional entre T y las

variables mecánicas del sistema:

T = f(X1, X2, . . . , XN

| {z }

variables mecánicas

)

(9)

La Ley cero:

Permite definir la variable no mecánica temperatura,

T , y su medición

Asegura que existe relación funcional entre T y las

variables mecánicas del sistema:

T = f(X1, X2, . . . , XN

| {z }

variables mecánicas

)

Relación empírica

A nivel molecular, T se relaciona con la energía cinética

promedio de los átomos o moléculas del sistema

(10)

La Ley cero:

(11)

La Ley cero:

Justifica la definición y construcción de un termómetro

Un termómetro es un aparato que permite medir la temperatura en términos de las variables mecánicas del sistema

Por ejemplo:

(12)

Termómetro:

(13)

Termómetro:

Sistema termodinámico en el que todas excepto una variable mecánica permanecen fijas.

La variable mecánica que no está fija se llama

propiedad termométrica

Ejemplos:

Volumen de una columna líquida

La presión de un gas a volumen constante

(14)

Termómetro:

Sistema termodinámico en el que todas excepto una variable mecánica permanecen fijas.

La variable mecánica que no está fija se llama

propiedad termométrica

Ejemplos:

Volumen de una columna líquida

La presión de un gas a volumen constante

La resistencia eléctrica de un alambre de platino La radiación emitida por un sólido caliente

(15)
(16)

Pasos para la construcción de un termómetro:

1. Selección de un sistema termodinámico de referencia

Es homogéneo

Tiene composición fija

2. Elección de una escala de temperatura (conjunto arbitrario de números y método de asignación de valores de temperatura)

El termometro ha de ser tal que asigne un solo valor a cada temperatura

(17)

Ejemplos:

(18)

Ejemplos:

El mercurio sí puede ser la sustancia de trabajo en las condiciones anteriores 12800 13000 13200 13400 13600

0 50 100 150 200 250 300

ρ

/kg m

−3

T/oC

(19)

Los valores de los puntos fijos dependen de:

La substancia que se use como termómetro

La propiedad termométrica

(20)

Ejemplo:

Escala de temperaturas en grados Celsius

La temperatura θ es una función

lineal del volumen de un líquido

(21)

Ejemplo:

Escala de temperaturas en grados Celsius

La temperatura θ es una función

lineal del volumen de un líquido

θ = k1V + b , k1, b constantes

Si el líquido se coloca en un capilar

de altura h

θ = k1(Ah) + b

Es decir:

(22)

Para encontrar k y b:

θ = 0oC : punto de fusión del hielo

θ = 100 oC : punto de ebullición del agua

(23)

Para encontrar k y b:

θ = 0oC : punto de fusión del hielo

θ = 100 oC : punto de ebullición del agua

⇒ a 1 atm

Dividir en 100 intervalos iguales el

(24)

Para encontrar k y b:

θ = 0oC : punto de fusión del hielo

θ = 100 oC : punto de ebullición del agua

⇒ a 1 atm

Dividir en 100 intervalos iguales el

segmento entre 0 y 100oC

Otra opción: Grados Farenheit

θF = 32oF : punto de fusión del hielo

θF = 212 oF : punto de ebullición del agua

(25)

Para encontrar k y b:

θ = 0oC : punto de fusión del hielo

θ = 100 oC : punto de ebullición del agua

⇒ a 1 atm

Dividir en 100 intervalos iguales el

segmento entre 0 y 100oC

Otra opción: Grados Farenheit

θF = 32oF : punto de fusión del hielo

θF = 212 oF : punto de ebullición del agua

⇒ a 1 atm

Dividir en 180 intervalos iguales el

(26)

Ejercicio:

En base a la información anterior, obtén la expresión para realizar la conversión de

(27)

Ejercicio:

En base a la información anterior, obtén la expresión para realizar la conversión de

grados Celsius, θ, a Farenheit, θF

Lectura recomendada:

“Fahrenheit and Celsius, A story”,

(28)

Termómetro del gas ideal

Consideraciones:

(29)

Termómetro del gas ideal

Consideraciones:

Diferentes líquidos se expanden de diferente manera y no siempre uniformemente

(30)

Termómetro del gas ideal

Consideraciones:

Diferentes líquidos se expanden de diferente manera y no siempre uniformemente

Diferentes materiales muestran diferentes valores de temperatura en sus puntos fijos

Por otro lado:

La presión de un gas puede usarse para construir un termómetro virtualmente independiente de la

(31)

Ley de Charles:

V = mθ + b

donde

V : volumen

m : pendiente

θ : T / oC

b : ordenada

Se cumple a

(32)

Extrapolación de las curvas V vs θ a diferentes presiones

V

θ p1

p2

p3

-273.15 oC

(33)

Extrapolación de las curvas V vs θ a diferentes presiones V θ p1 p2 p3

-273.15 oC

comportamiento independiente de la naturaleza del gas

Nueva escala de tem-peratura (grados Kelvin):

T = cV

Por ejemplo:

(34)

Falta definir otro punto fijo

Sea Ttr = 273.16 K en el punto triple del agua:

c = Ttr

Vtr

= 273.16K

Vtr

Por lo tanto:

T = 273.16 K l´ım

p→0

V

(35)

Para medir la temperatura de un sistema:

Se mide el volumen de un gas ideal en equilibrio térmico con

1. el sistema a diferentes presiones 2. agua en el punto triple

Se extrapola a p 0 V /Vtr

p

valor límite

(36)

Relación con grados Celsius:

(37)

Relación con grados Celsius:

T = θC + 273.15

El termómetro del gas ideal no se usa en la práctica

(38)

Algunos valores de temperatura de punto fijo:

Ebullición de He 4.22 K Ebullición de N2 77.34 K

Fusión de Hg 234.29 K Fusión de H2O 273.15 K

Punto triple de H2O 273.6 K (exactamente)

Ebullición de H2O 373.15 K

(39)

Escala internacional de temperatura (1990): extrapolación entre estos valores usando un termómetro de platino

Referencias

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