FÍSICA II

PRIMER PERIODO

CALOR Y TEMPERATURA

CALOR / DEFINICIÓN CIENTÍFICA

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

                                                                    

                                 Al aumentar el calor, la temperatura aumenta 

temperatura / definición científica

La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse.

 A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir,su temperatura aumenta.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura

aumente o disminuya.

Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

1.- La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la  cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

2.- La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas).

3.- Los cuerpos están fríos cuando su temperatura es baja, y calientes cuando su temperatura es alta. Esta temperatura se mide de forma precisa mediante un aparato llamado termómetro.

DILATACIÓN

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen  o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debo al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

                           

                               DILATÓMETRO ANTIGUO

   

EJEMPLOS DE DILATACIÓN

•La separación que se deja entre cada tramo de las vías del tren.

•La torre Eiffel cambia de tamaño según la temporada del año.

•Día a día aumenta el nivel del mar en parte por la dilatación del líquido debida al aumento de la temperatura global por el cambio climático.

TABLA DE conversiÓn de TEMPERATURAS

	Kelvin	Grado Celsius	Grado Fahrenheit	Rankine	Grado Réaumur	Grado Rømer	Grado Newton	Grado Delisle
Kelvin		K=C+273	K=(F+459)	K= Ra 5/9	K = Re   + 273,15	K = (Ro - 7,5)  + 273,15	K = N   + 273,15	K = 373,15 - De
Grado Celsius	C=K - 273,15	C=C	C = (F - 32)	C = (Ra - 491,67)	C = Re	C = (Ro - 7,5)	C = N	C = 100 - De
Grado Fahrenheit	- 459,67	F = C   + 32			F = Re   + 32	F = (Ro - 7,5)   + 32	F = N   + 32	F = 121 - De
Rankine		Ra = (C + 273,15)			Ra = Re   + 491,67	Ra = (Ro - 7,5)   + 491,67	Ra = N   + 491,67	Ra = 171,67 - De
Grado Réaumur		Re = C	Re = (F - 32)	Re = (Ra - 491,67)	Re=Re	Re = (Ro - 7,5)	Re = N	Re = 80 - De
Grado Rømer	Ro =(K - 273,15)   +7,5	Ro = C   +7,5	Ro = (F - 32)   +7,5	Ro = Ra - 491,67   +7,5	Ro = Re  +7,5	Ro=Ro	Ro = N  +7,5	Ro = 60 - De
Grado Newton	N = (K - 273,15)	N = C	N = (F - 32)	N = (Ra - 491,67)	N = Re	N = (Ro - 7,5)	N=N	N = 33 - De
Grado Delisle	De = (373,15 - K)	De = (100 - C)	De = (121 - F)	De = (580,67 - Ra)	De = (80 - Re)	De = (60 - Ro)	De = (33 - N)	De=De

DILATACIÓN LINEAL

El coeficiente de dilatación lineal, designado por αL, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de left}}

 Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura  a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde:α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]

L0 = Longitud inicialL

f = Longitud final

T0 = Temperatura inicial.

Tf = Temperatura final

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por αV, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:

Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

DILATACIÓN DE ÁREA

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C-1]

A0 = Área inicial

Af = Área final

T0 = Temperatura inicial.

Tf = Temperatura final.

CAMBIO DE ESTADO

En física y química se denomina cambio de estado la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en nuestro universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si descartamos la materia oscura).

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotermico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que latemperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido.

Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso esexotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporación. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y provechosas para la vida y el sustento del hombre cuando se desarrollan normalmente.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos.

Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva. Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva.

FLUIDOS

Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable). Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

CARACTERÍSTICAS

Movimiento no acotado de las moléculas. Son infinitamente deformables, los desplazamientos que un punto material o molécula puede alcanzar en el seno del fluido no están acotados (esto contrasta con los sólidos deformables, donde los desplazamientos están mucho más limitados). Esto se debe a que sus moléculas no tienen una posición de equilibrio, como sucede en los sólidos donde la mayoría de moléculas ejecutan pequeños movimientos alrededor de sus posiciones de equilibrio.

Compresibilidad. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. No obstante, los líquidos son altamente incompresibles a diferencia de los gases que son altamente compresibles. Sin embargo, la compresibilidad no diferencia a los fluidos de los sólidos, ya que la compresibilidad de los sólidos es similar a la de los líquidos.

Viscosidad, aunque la viscosidad en los gases es mucho menor que en los líquidos. La viscosidad hace que la velocidad de deformación puede aumentar las tensiones en el seno del medio continuo. Esta propiedad acerca a los fluidos viscosos a los sólidos viscoelásticos.

Distancia Molecular Grande: Esta es una característica de los fluidos la cual sus moléculas se encuentran separadas a una gran distancia en comparación con los sólidos y esto le permite cambiar muy fácilmente su velocidad debido a fuerzas externas y facilita su compresión.

Fuerzas de Van der Waals: Esta fuerza fue descubierta por el físico holandés Johannes Van der Waals, el físico encontró la importancia de considerar el volumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares y en la distribución de cargas positivas y negativas en las moléculas estableciendo la relación entre presión, volumen, y temperatura de los fluidos.

Ausencia de memoria de forma, es decir, toman las forma del recipiente que lo contenga, sin que existan fuerzas de recuperación elástica como en los sólidos. Debido a su separación molecular los fluidos no poseen una forma definida por tanto no se puede calcular su volumen o densidad a simple vista, para esto se introduce el fluido en un recipiente en el cual toma su forma y así podemos calcular su volumen y densidad, esto facilita su estudio. Esta última propiedad es la que diferencia más claramente a fluidos (líquidos y gases) de sólidos deformables.

ECUACIÓN DEL ESTADO GASEOSO Y GASES IDEALES

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

Partiendo de la ecuación de estado:

P.V=n . R.T

Tenemos que P .V  =R

                          n . T

Donde R es la constante universal de los gases universales

P1. V1 = P2 . V2 =R

n1 . T1    n2.T2

Para una misma masa gaseosa (es por tanto el numero de moles  (n) es constante),

Podemos afirmar que existe una constante proporcional a la presión y volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura.

P1. V1 = P2 . V2 =    P1. V1 = P2 . V2

T1 . n1    T2. n2            T1             T2

P = Presión absoluta

V = Volumen

n = Moles de gas

R = Constante universal de los gases ideales

T = Temperatura absoluta

Ecuación general del estado gaseoso.

La combinación de la Ley de Boyle y la Ley de Charles nos permite establecer una relación matemática entre el volumen, temperatura y presión de una muestra determinada de gas.

Esta relación queda formulada así: 

"La razón entre el producto Presión - Volumen y la Temperatura es una constante".

PV=K

 T

Esta masa gaseosa puede expresarse en términos de una condición inicial y una condición final:

P1. V1 = P2 . V2

  T1             T2

que representa la ecuación general del estado gaseoso y en ella están incluidos los tres parámetros que determinan el comportamiento de los gases, donde:

P se expresa en atm, mmHg o psig

T se expresa en kelvins

V se expresa en litros, sus múltiplos y submúltiplos, cm3.

Ejemplo 1:

Un volumen de 100 cm3 de un gas en condiciones normales de temperatura y presión (1 atm y 0 °C), si queremos que ocupe el volumen de 1 litro a la presión de 590 mm Hg ¿A qué temperatura en °C debemos someterlo?

V1=100CM^3

P1= 1atm=760mmHg

T1=0°C +273=273K

V2=1lt=1000cm^3

P2=590 mmHg

T2=

Despejando  T2 de la ecuación  general  del estado gaseoso.

T2=P2.V2.T1

         P1.V1

T2=590 . 1000 . 273

           760. 100

T2=2119.334 kelvins

T2=2119.334-273=1846.34°C.