TEMAS DEL PARCIAL 1

CALOR Y TEMPERATURA

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

—  El calor se define como la energía que produce un cuerpo por el movimiento de las moléculas produce una elevación de la temperatura. El calor se mide en  calorías o joule, en cambio la temperatura es medida por grado.

—  Por ejemplo, un basquetbolista que está haciendo movimiento y produce calor a través de este movimiento, lo que hace que el cuerpo esté caliente y que sude. Lo mismo pasa con alguien que esté haciendo movimiento en el agua aunque se diga que está en ella, también su cuerpo está caliente y suda.

—  La función de un termómetro es medir que tan rápido se están moviendo las moléculas de un objeto. Aunque parezca ilógico un iceberg tiene mayor calor que una taza de agua hirviendo, porque, el iceberg por su tamaño tiene más moléculas en movimiento que la taza del agua hirviendo.

 

TEMPERATURA

—  La temperatura, es una propiedad que expresa el estado de agitación de cada una de las moléculas de un cuerpo.

 

DILATACIÓN DE FLUIDOS

—  Todos los líquidos al calentarse sufren una aumento de volumen o dilatación, esta hace posible el funcionamiento de los termómetros, ya que los termómetros por lo general usan el mercurio, y este tiene el punto de ebullición a 356.7 °C y el de congelación a -39°C ya que su punto de aplicación será muy amplio.

 

ESCALAS DE TEMPERATURA

—  Hay distintos termómetros con diferente escala de temperatura, todos sirven para lo mismo, todos miden la agitación térmica de las moléculas, pero todos tienen diferente uso, en nuestro país es más utilizada la escala de grados Celsius( °C) en EUA la escala de grados Fahrenheit (°F) y los Físicos utilizan la escala de grados Kelvin ( K)

PROPIEDADES DE LA TEMPERATURA

PUNTOS DE EBULLICIÓN Y DE FUSIÓN

—  En la escala Celsius el punto de congelación del agua es de 0° y en la escala Fahrenheit es de 32°, en la Celsius el punto de ebullición es de 100° y en la Fahrenheit es de 212°.

—  Al calentar un recipiente con hielo, mientras se funde éste, el termómetro mantiene su columna de mercurio en cero grados.

—  Al sumergir el termómetro en un recipiente de agua caliente. El mercurio alcanza los 100°C como punto de ebullición del agua.

 

TRANSFERENCIA DE CALOR

—  Todos los cuerpos al producir movimiento se dice que tienen calor, un pizarrón, aunque no se mueva tiene una pequeña cantidad de calor, esto es porque toda sustancia sólida tiene movimiento en sus moléculas y el calor es la energía producida por el movimiento de |las moléculas de un objeto, es así que por el calor o aumento de temperatura hace que el mercurio suba atrevas del tubo de un termómetro, esto lo hace por el fenómeno conocido como la dilatación.

 

DIRECCIÓN DEL FLUJO DEL CALOR

—  La temperatura es la que determina la dirección en que fluye el calor de un cuerpo a otro, en el momento en que estén en contacto. Por tanto, la transferencia de calor siempre ocurre de los cuerpos de mayor a los de menor temperatura. Se puede evitar la transferencia de calor, por ejemplo cuando hace frío y estas acobijado, la cobija impide que el frío pase a tu cuerpo.

—  En el calentamiento del aire y otros fluidos interviene la convención, que consiste en el flujo de masas calientes en fluidos, desde las capas más bajas hasta las más altas. 

—  También existe otro método del transpuso de calor, es el de radiación, por ejemplo, el sol nos traspasa calor a través de los rayos ultravioletas, que llegan a nosotros en 8 minutos dese el punto de distancia en que se encuentra el Sol.

—  Durante el transcurso del tiempo varios científicos habían observado que el calor se podía utilizar como una especie de energía mecánica, James Prescott Joule realizó experimentos, en el observó que el agua al ser agitada varias veces sufre un aumento de temperatura, lo que puede hacer funcionar diferentes artefactos.

—  Concluyó que la energía mecánica y la energía que provoca la diferencia de temperaturas en el agua son equivalentes en cantidad. Generalmente, cuando 4.180 Joules de energía se transfieren a calor, cada gramo de agua eleva su temperatura 1°C es decir se obtiene un a caloría, es decir que 4.180 Joules equivalen a 1 caloría.

—  El calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 °C se define como una caloría.

—  JOULE: Todas las formas de energía se miden en Joules (J), es la medida más utilizada en todo lugar. Aunque también se puede utilizar la caloría (cal) para saber el contenido nutricional de cada alimento.

—  1 Joule = .24 cal.

 

EFECTO DEL CALOR SOBRE LOS CUERPOS

—  Por lo regular a cada cuerpo que se le aplica calor su volumen aumenta, la dilatación es el incremento de volumen por aumento de temperatura, si tu pasa un esfera por un aro y cabe, luego calientas la esfera y al volver a tratar de pasar la esfera, ésta ya no pasará, en este caso se dice que se aplica la dilatación.

—  El calor específico es el calor necesario para elevar la temperatura en un grado centígrado a un gramo de la sustancia seleccionada.

 

EL CALOR Y LAS TRANSFORMACIONES DEL ESTADO DE LA MATERIA

—  Un sólido se dice que tiene forma propia, porque presenta una cohesión bastante alta en sus moléculas, en cambio un líquido no adquiere una forma propia, porque sus moléculas se encuentran separadas.

—  Ebullición: Cuando el agua se vapora, pasa de líquido a gas, esto pasa cuando el agua está a una temperatura de 100°C, se le llama punto de ebullición.

—  Condensación: Es cuando un gas se transforma en líquido, esto pasa cuando el gas se encuentra arriba del punto de ebullición, al quitarle calor, la temperatura del gas disminuirá y este se condensará, esto lo podemos apreciar al calentar agua, y tapamos el recipiente, cuando el agua hierva, levanta la tapa y veras que empieza a escurrir agua de donde se había concentrado el calor

—  Fusión: Es cuando un cuerpo pasa de sólido a líquido, esto sucede cuando un cuerpo obtiene suficiente calor para que sus moléculas ya no se mantengan unidas y se convierta en sólido, esto lo podemos apreciar cuando sacas un hielo al aire libre y recibe calor se derritiera.

—  Solidificación o congelación:Es cuando un líquido se convierte en sólido, cuando un líquido pierde calor sus moléculas adquieren mayor cohesión y hace que el líquido se congele, esto sucede cuando metes agua en el refrigerador, y vas un tiempo después , observas que el agua se convirtió en hielo

—  Sublimación: Es cuando un sólido se convierte en gas, esto lo podemos apreciar cuando sacas un hielo y ves que le sale como humito en la superficie, ahí se ve un caso de sublimación.

 

MÁQUINAS TÉRMICAS

—  La termodinámica se puede decir que es el estudio de calor e y sus transformaciones en energía.

—  Existen máquinas que trabajan con el calor o Máquinas térmicas, como podría ser las turbinas o el motor de un tren antiguo, aunque también hoy en día existen trenes que trabajen con vapor, los barcos, etc.

—  La primera ley de la termodinámica explica que cada vez que se adquiera calor este se convertirá en una forma de energía.

—  Un sistema se define como un grupo bien determinado de átomos, moléculas, partículas y objetos.

 

FLUIDOS

—  Estos pueden ser líquidos o gases, se le llama así, porque se pueden escurrir, esto sucede porque la unión de sus moléculas es mínima.

 

RIGIDEZ Y FLUIDEZ

—  Se dice que un cuerpo sólido está formado por átomos los cuales están unidos y forman moléculas, el cuerpo sólido es rígido, porque tiene una forma propia y puede ser trasladado si necesidad de usar un recipiente.

—  La fluidez es caracterizada porque no adopta una forma propia, sino que adopta la forma del recipiente en que es metido, aunque algunos de ellos son indispensables para la vida, como el agua.

 

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR

Los cambios provocados por el calor son:

ü  Dilatación: Es la variación en las dimensiones que experimentan los cuerpos al variar su temperatura.

 

ü  Cambios de estado físico:

Ø  Evaporación:  Es un proceso físico por el cual una sustancia en estado por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial que tienen sus moléculas. Esto sucede, por ejemplo, cuando el agua se evapora al sufrir un aumento de temperatura.

 

Ø  Sublimación: proceso que consiste en el cambio de estado físico de la materia sólida an estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, el hielo seco.

TRANSFERENCIA DE CALOR

 

El calor se puede transmitir por medio de tres formas distintas:

v  Conducción térmica

v  Convección térmica

v  Radiación térmica

 

o   Conducción térmica: Es la forma que transmite el calor en cuerpos sólidos, cuando se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean. A su vez, las segundas hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan; por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta conn una flama, transcurre cierto tiempo para que el calor llegue al otro extremo. En pocas palabras, es cuando se transfiere por colisiones entre las moléculas de la región más caliente de un cuerpo material y las moléculas más frías sin que éstas sufran ninguna traslación en el interior del cuerpo.

 

o   Convección térmica: Cuando el calor se transmite por medio de un movimiento real de la materia que forma el sistema se dice que hay una propagación de calor por convención. Las corrientes de convección constituyen la bese de los sistemas para calentameinto y enfriamiento de la mayoría de las casas. Se ejemplifica la convección al hervir los alimentos, pues el agua fluye de arriba hacia abajo transportando así el calor.

 

 

o   Radiación térmica: Las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto físico, sino que pueden estar separadas por un vacío. Irradian calor en forma de ondas magnéticas que es absorbida por cuerpos más fríos aumentado así su temperatura. Un ejemplo son los radiadores de agua caliente y las estufas de aire.

Se caracteriza por la intensidad de radiación monocromática o radiancia espectral. La radiancia espectral o poder masivo espectral, indica cómo varía la intensidad de la radiación con la longitud de onda para una temperatura determinada.

 

 

 

 

 

 

 

Ley de Charles, Ley de Boyle y ley de Gay-Lussac 

 

Ley de Charles

La Ley de Charles es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenida a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.

En esta ley, Jacques Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente relacionada con la energía cinética (debido al movimiento) de las moléculas del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.

La ley fue publicada primero por Gay Lussac en 1803, pero hacía referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de alrededor de1787, lo que condujo a que la ley sea usualmente atribuida a Charles. La relación había sido anticipada anteriormente en los trabajos de Guillaume Amontons en 1702.

Por otro lado, Gay-Lussac relacionó la presión y la temperatura como magnitudes directamente proporcionales en la llamada "La segunda ley de Gay-Lussac".

 

 

 

 

 

LEY DE BOYLE

La Ley de Boyle-Mariotte, o Ley de Boyle, formulada independientemente por el físico y químico irlandés Robert Boyle (1662) y el físico y botánico francés Edme Mariotte (1676), es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante.

La ley dice que:

La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.

O en términos más sencillos:

A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce.

Matemáticamente se puede expresar así:

  PV = k

Donde    es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. No es necesario conocer el valor exacto de la constante para poder hacer uso de la ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación: k

 

 

 

 

Ley de Gay-Lussac

Establece que la presión de un volumen fijo de un gas, es directamente proporcional a su temperatura.

•         Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura (Kelvin) permanece constante:

  P/T = k₃

O también: P= k₃T

Donde:

•         P es la presión

•         T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)

•         k₃ la constante de proporcionalidad

Esta ley fue enunciada en 1802 por el físico y químico francés Louis Joseph Gay-Lussac.

Para una cierta cantidad de gas, al aumentar la temperatura las moléculas del gas, se mueven más rápidamente y por lo tanto aumenta el número de

choques contra las paredes por unidad de tiempo, es decir, aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. 

Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento del proceso, el cociente entre la presión y la temperatura absoluta tenía un valor constante.

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión    y a una temperatura    al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor, entonces la presión cambiará, y se cumplirá:

  P₁/T₁ = P₂/T₂

Donde:

      P₁ = Presión inicial

      T₁ = Temperatura inicial

      P₂ = Presión final

      T₂ = Temperatura final

Que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.

Esta ley, al igual que la ley de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Es decir, las temperaturas han de expresarse en Kelvin.

 

 

 

ECUACIÓN DE ESTADO GASEOSO Y
GASES IDEALES

Se define como un gas ideal como aquel en el que todas las colisiones entre todos los constituyentes (átomos y moléculas) son perfectamente elásticos y en el cual no hay fuerzas atractivas intermoleculares.

Este concepto implica que las moléculas del gas no interactúan excepto en las colisiones, y que el volumen molecular es despreciable comparado con el volumen del recipiente.

Un gas real se puede considerar como ideal si la interacción entre sus moléculas es despreciable, lo cual se logra manteniéndolo a una presión baja.

Para estudiar un gas de masa m, confinado  en un recipiente de volumen V a una presión p y temperatura T, es importante conocer la relación entre estas cantidades

En general, esta relación conocida como Ecuación de estado es bastante complicada; sin embargo, para el caso de un gas ideal es muy simple y se puede encontrar experimentalmente.

Antes de construir la ecuación de estado, revisemos tres leyes empíricas que se observa son satisfechas por los gases (de baja presión).

 

 

 

 

LEYES EMPÍRICAS DE LOS GASES: LEY GENERAL E HIPÓTESIS DE AVOGADRO

La unificación de estas tres leyes da lugar a lo que se llama LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO,  a saber:

PV/T = constante

Donde P es la presión, V es el volumen y T es la temperatura.

Un gas ideal se modela como un gas de esferas duras sin volumen y que solo interaccionan mediante choques perfectamente elásticos.