Tippens Fisica 7e DiaposTippens_fisica_7e_diapositivas_16.pptitivas 16

(1)

Capítulo 16. Temperatura

y dilatación

Presentación PowerPoint de

Paul E. Tippens, Profesor de Física

Southern Polytechnic State

University

©

2007

(2)

LA TEMPERATURA es una medida de la energía cinética

promedio por molécula. La radiación infrarroja proveniente

del canal de aire en el oído pasa a través del sistema óptico

del termómetro y se convierte en una señal eléctrica que

produce una lectura digital de la temperatura corporal.

Fotografía de Blake Tippens

(3)

Objetivos: Después de

terminar esta unidad, deberá:

• Trabajar con escalas de temperatura

Celsius, Kelvin y Fahrenheit tanto

para temperaturas específicas como

para intervalos de temperatura.

• Escribir y aplicar

fórmulas para dilatación

lineal, de área y de

(4)

Energía térmica

La

La energía térmicaenergía térmica es la energía interna total de un es la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial

objeto: la suma de sus energías cinética y potencial

molecular.

La

La energía térmicaenergía térmica es la energía interna total de un es la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial objeto: la suma de sus energías cinética y potencial

molecular. molecular. Energía térmica = U + K Energía térmica = U + K

U = ½kx

2

K = ½mv

2

(5)

Temperatura

La temperatura se relaciona con la

actividad cinética de las moléculas,

mientras que la dilatación y los cambios de fase de las sustancias se relacionan más con la energía potencial.

2

½mv

T

N





Aunque no es cierto en todos los casos, un buen principio es definir la temperatura

como la energía cinética promedio por molécula.

(6)

Temperatura contra energía

interna

Las jarras grande y pequeña tienen la misma temperatura,

pero no tienen la misma energía térmica. Una mayor cantidad de agua caliente funde más

hielo. El volumen más

grande tiene mayor energía térmica Misma temperatura inicial agua hielo hielo

(7)

Equilibrio de temperatura

El calor se define como la transferencia de energía térmica debido a una

diferencia en temperatura.

Carbones calientes

Agua fría Misma temperatura

Equilibrio térmico Contenedor aislado

Dos objetos están en

equilibrio térmico si y sólo si están a la misma

(8)

Termómetro

Un termómetro es cualquier dispositivo que, mediante escalas marcadas, puede dar una indicación de su propia temperatura.

T = kX

X es propiedad termométrica: dilatación, resistencia eléctrica, longitud de onda de luz, etc.

(9)

Ley cero de la

termodinámica

Ley cero de la termodinámica:

Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos Si dos objetos AA y y BB están en equilibrio

están en equilibrio por separadopor separado con un tercer objeto con un tercer objeto C

C, entonces los objetos , entonces los objetos A A y y BB están en equilibrio están en equilibrio térmico mutuo. térmico mutuo. A Objeto C A _B Equilibrio térmico Misma temperatura B Objeto C

(10)

1000_C ₂₁₂0_F 00_C ₃₂0_F

Escalas de

temperatura

El punto fijo inferior es el

punto de congelación, la

temperatura a la que el hielo y el agua coexisten a 1 atm de presión:

0 0C o 32 0F

El punto fijo superior es el

punto ebullición, la

temperatura a la que vapor y agua coexisten a 1 atm de presión:

100 0C o 212 0F

(11)

Comparación de intervalos de

temperatura

2120F 320F 180 F0 1000C 00C 100 C0 t_C t_F Intervalos de temperatura: 100 C0 = 180 F0 5 C0 = 9 F0 Si la temperatura cambia de 79 0F a 70 0F, significa una disminución de 5 C0.

(12)

Etiquetas de temperatura

Si un objeto tiene una temperatura específica, se coloca Si un objeto tiene una temperatura específica, se coloca el símbolo de grado

el símbolo de grado 00 antesantes de la escala (_{de la escala (}00C_C o _o00F_F)._).

t = 60

00

C

_C

Se dice: “La temperatura es sesenta grados Celsius.”

(13)

Etiquetas de temperatura

(Cont.)

Si un objeto experimenta un

Si un objeto experimenta un cambio de temperaturacambio de temperatura, , se coloca el símbolo de grado

se coloca el símbolo de grado 00 despuésdespués de la escala _{de la escala}

(

(CC00 o _oF_F00) para indicar el intervalo de temperatura._{) para indicar el intervalo de temperatura.}

Se dice: “La temperatura disminuyó cuarenta grados Celsius.”



t = 60

0

C – 20

0

C



t = 40 C

0 t t_i_i = 60 = 60 00C_C t t_f_f = 20 = 20 00C_C

(14)

Temperaturas específicas

2120_F 320_F 1000_C 00_C 180 F0 100 C0 t_C t_F Mismas temperaturas tienen números diferentes: 0C 0F 0 0 0 32 100 div 180 div C F t  t   0 9 5

t

C

 

t

F

32

0 9 5

32

F C

t

_F



9₅

t

_C



32

0

t



t



₅



0



9

32

C F

t

C



59



t

F



32

0



t



t



(15)

Ejemplo 1:

Ejemplo 1: Un plato de comida se Un plato de comida se enfría de

enfría de 16016000F_F a _a65₆₅00F_F. ¿Cuál fue la _{. ¿Cuál fue la}

temperatura inicial en grados Celsius? temperatura inicial en grados Celsius? ¿Cuál es el cambio en temperatura en ¿Cuál es el cambio en temperatura en

grados Celsius? grados Celsius? Convierta 160 0F a 0C de la fórmula:





0 5 9

32

C F

t

C



5₉



t

F



32

0



t



t



0 0 0 5 5(128 ) (160 32 ) 9 9 C t    _t C = 71.1 0C t_C = 71.1 0C 0 0 0

160 F 65 F 95 F

t

 





9 F_{9 F}00 = 5 C = 5 C00 0 0 0 5 C 95 F 9 F t     _ _   t = 52.8 Ct = 52.8 C0 0

(16)

Limitaciones de las escalas

relativas

El problema más serio con las escalas

Celsius

y

Fahrenheit

es la existencia de

temperaturas

negativas.

Claramente, ¡la energía cinética promedio por molécula NO es cero o en 0 0C o en 0 0F!

¿-25 0C?

T = kX = ¿0?

(17)

Termómetro a volumen

constante

Válvula Volumen constante de un gas. (Aire, por ejemplo) Presión absoluta

La búsqueda para un

cero verdadero

de

temperatura se puede

hacer con un termómetro

a

volumen constante

.

Para volumen

constante:

T = kP

Para volumen

constante:

T = kP

(18)

Cero absoluto de

temperatura

1000_C 00_C P₁ P₂ T₁ T₂ -2730_C 00C 1000C P T Grafique los puntos (P₁,

00C) y (P 2, 1000C); luego extrapole a cero. Cero absoluto = -2730C Cero absoluto = -2730C Cero absoluto

(19)

Comparación de cuatro

escalas

1 C0 = 1 K 1 C0 = 1 K 5 C0 = 9 F 5 C0 = 9 F 0 9 5

32

F C

t

F



9₅

t

C



32

0

t



t





0



5 9

32

C F

t

C



59



t

F



32

0



t



t



T_K = t_C + 2730 T_K = t_C + 2730 hielo vapor Cero absoluto 1000_C 00C -2730_C Celsius C Fahrenheit 320F -4600_F 2120_F F 273 K 373 K Kelvin 0 K K Rankine 0 R 460 R 672 R R

(20)

Dilatación lineal

L L_o __L t_o t 0

L



L t

 

L



L t

0



 



0

L

L t







0

L

L t







Cobre:  = 1.7 x 10-5/C0 Cobre:  = 1.7 x 10-5/C0 Aluminio:  = 2.4 x 10-5/C0 Aluminio:  = 2.4 x 10-5/C0 Hierro:  = 1.2 x 10-5/C0 Hierro:  = 1.2 x 10-5/C0 Concreto:  = 0.9 x 10-5/C0 Concreto:  = 0.9 x 10-5/C0

(21)

Ejemplo 2:

Ejemplo 2: Una tubería de cobre mide Una tubería de cobre mide 90 90 m

m de largo a de largo a 20 20 00C_C. ¿Cuál es nueva _{. ¿Cuál es nueva}

longitud cuando a través de la tubería longitud cuando a través de la tubería

pasa vapor a pasa vapor a 10010000C_C?_? L_o = 90 m, t₀= 200C t = 1000C - 200C = 80 C0 L = L_ot = (1.7 x 10-5/C0)(90 m)(80 C0) L = 0.122 m L = Lo + L L = 90 m + 0.122 m L = 90.12 mL = 90.12 m

(22)

Aplicaciones de la

dilatación

Junta de dilatación Tira bimetálica Latón Latón Hierro Hierro

Las juntas de dilatación son necesarias para permitir que el concreto se dilate, y las tiras bimetálicas se pueden

(23)

Dilatación de área

La dilatación de área es análoga a la ampliación de una fotografía. El ejemplo muestra una tuerca caliente

que se encoge para un firme ajuste después de enfriarse.

Dilatación al calentarse.

(24)

Cálculo de dilatación de

área

W L L L_o W_o W A₀ = L₀W₀ A = LW L = L₀ + L₀ t W = W₀ + W₀ t L = L₀(1 + t ) W = W₀(1 + t A = LW = L₀W₀(1 + t)2 A = A 0(1 + 2t) Dilatación de área: A = 2_t Dilatación de área: A = 2_t

(25)

Dilatación de volumen

La dilatación es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto: V = V₀ t V = V₀ t _{}_{} La constante  es el coeficiente de dilatación de volumen. 0

V

V t







0

V

V t







(26)

Ejemplo 3.

Ejemplo 3. Un vaso de precipitados Pyrex de Un vaso de precipitados Pyrex de 200 cm

200 cm33 se llena hasta el tope con glicerina. _{se llena hasta el tope con glicerina.}

Luego el sistema se caliente de

Luego el sistema se caliente de 20 20 00C_C a _a80 ₈₀ 0

0C_C. ¿Cuánta glicerina se desborda del _{. ¿Cuánta glicerina se desborda del}

contenedor? contenedor? Vdesb= ¿? V₀ _V 200C 800C 200 cm3 Glicerina: 5.1 x 10-4/C0 Pyrex:  = 3 0.3 x 10 -5/C0)  = 0.9 x 10 -5/C0 V_desb = V_G - V_P V_desb = _GV₀t - _PV₀t = (_G - _P)V₀t V_desb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(200 cm3)(800C - 200C)

(27)

Ejemplo 3.

Ejemplo 3. (continuación) (continuación)

V_desb= ¿? V₀ _V 200C 800C 200 cm3 Glicerina: 5.1 x 10-4/C0 Pyrex:  = 3 0.3 x 10 -5/C0)  = 0.9 x 10 -5/C0 V_desb = V_G - V_P V_desb = _GV₀t - _PV₀t = (_G - _P)V₀t V_desb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(200 cm3)(800C - 200C) Desbordamiento de volumen = 6.01 cm3 Desbordamiento de volumen = 6.01 cm3

(28)

Resumen

La

La energía térmicaenergía térmica es la energía interna de un objeto: la es la energía interna de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial molecular.

suma de sus energías cinética y potencial molecular.

La

La energía térmicaenergía térmica es la energía interna de un objeto: la es la energía interna de un objeto: la suma de sus energías cinética y potencial molecular.

suma de sus energías cinética y potencial molecular.

Energía térmica = U + K

Ley cero de la termodinámica:

Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos Si dos objetos AA y y BB están en equilibrio

están en equilibrio por separadopor separado con un tercer objeto con un tercer objeto C

C, entonces lo objetos , entonces lo objetos A A y y B están en equilibrio B están en equilibrio

térmico uno con otro.

A B

Equilibrio térmico

A

Objeto C

(29)

Resumen de escalas de

temperatura

1 C0 = 1 K 1 C0 = 1 K 5 C0 = 9 F 5 C0 = 9 F 0 9 5

32

F C

t

F



9₅

t

C



32

0

t



t





0



5 9

32

C F

t

C



59



t

F



32

0



t



t



T_K = t_C + 2730 T_K = t_C + 2730 hielo vapor Cero absoluto 1000_C 00C -2730_C Celsius C Fahrenheit 320F -4600_F 2120_F F 273 K 373 K Kelvin 0 K K Rankine 0 R 460 R 672 R R

(30)

Resumen: dilatación

L L_o __L t_o t 0

L



L t

 

L



L t

0



 



0

L

L t







0

L

L t







Dilatación lineal: A = 2_t A = 2_t Dilatación de área: Dilatación A₀ _A

(31)

Dilatación de volumen

La dilatación es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto: V = V₀ t V = V₀ t _{}_{} La constante  es el coeficiente de dilatación de volumen. 0