Física (II Bimestre)

Slide 1: FÍSICA ESCUELA: GESTIÓN AMBIENTAL PONENTE: Mg. Henry Quezada Ochoa BIMESTRE: II BIMESTRE CICLO: ABRIL – AGOSTO 2007

Slide 2: Sumario • Capítulo 7. Fluidos – 7.1. Las tres fases de la materia7.2. Presión7.3. El efecto de la gravedad sobre los fluidos7.4. Empuje7.5. Flujo de fluidos • Capítulo 8. Gases – 8.1. Masa atómica8.2. Temperatura8.3. El gas ideal8.4. Teoría cinética de los gases ideales8.5. Gases reales • Capítulo 9. Líquidos – 9.1. Calor de vaporización9.2. Tensión superficial9.3. Acción capilar9.4. Ósmosis9.5. Presión negativa • Capítulo 10. Sólidos – 10.1. Sólidos cristalinos10.2. Propiedades mecánicas de los sólidos10.3. Sólidos no cristalinos10.4. Materiales biológicos • Capítulo 11. Calor – 11.1. La primera ley de la termodinámica11.2. Calor específico11.3. Transmisión del calor11.4. Regulación de la temperatura del cuerpo • Capítulo 12 Termodinámica – 12.1. Transformaciones termodinámicas12.2. La segunda ley de la termodinámica12.3. Formulación estadística de la segunda ley12.4. Entropía, energía libre y entalpía

Slide 3: Fluidos • 7.1. Las tres fases de la materia • 7.2. Presión • 7.3. El efecto de la gravedad sobre los fluidos • 7.4. Empuje • 7.5. Flujo de fluidos

Slide 4: Características de los fluidos • No resiste a la deformación, ofrece resistencia pequeña o nula a las fuerzas cortantes. • Es completamente deformable, toma la forma de su recipiente. • La fuerza sobre él, que debe ser normal a la superficie

Slide 5: Densidad La densidad media, r, se define como: La relación entre la densidad de cualquier líquido y la densidad del agua se llama gravedad específica. Fluido Densidad (kg/m3) Núcleo del Sol 1.6 x 105 Mercurio líquido 13.6 x 103 Núcleo de la Tierra 9.5 x 103 Glicerina 1.26 x 103 Agua 1.00 x 103 Un buen aceite de oliva 0.92 x 103 Alcohol etílico 0.79 x 103 Aire a nivel del mar 1.29

Slide 6: Presión La presión se define como la fuerza por unidad de área, que actúa perpendicularmente a una superficie: Bajo la influencia de la gravedad, la presión varía como función de la profundidad. Suponga una pequeña área DA en un punto r, y calculemos el límite cuando DA  0. Representamos con DF la fuerza perpendicular a esta área, tenemos DF DA DF dF p = lim = r DAﾮ 0 DA dA

Slide 7: Variación de la presión en un fluido en reposo Un cilindro delgado imaginario de fluido se aísla para indicar las fuerzas que actúan sobre él, manteniéndolo en equilibrio Fhacia arriba = (p +Dp)A Fhacia abajo = pA + (Dm)g = pA +  (A Dy)g

Slide 8: Es fácil llegar a: O sea: p = p0 + gy •La presión es independiente de la posición horizontal •Principio de Pascal: el mismo cambio de presión aplicada a cualquier punto en un fluido en reposo, se transmite a cada una de sus partes.

Slide 9: Flotabilidad y principio de Arquímedes Fneta = Fhacia abajo  Fhacia arriba = ghA  wgyA

Slide 10: Podemos interpretar la diferencia entre el peso del bloque y la fuerza neta como la fuerza de flotación hacia arriba: Fflot = Fg – Fneta Cuando el bloque está parcialmente sumergido, se tiene: Fflot = rwgyA Cuando el bloque está totalmente sumergido, se tiene: Fflot = rwghA = rwgV El principio de Arquímedes establece que: La fuerza de flotación sobre un objeto sumergido es igual al peso del líquido desplazado.

Slide 11: Aplicación de la ley de Pascal La presión atmisférica equilibra la presión de la columna de mercurio. Entonces: P0 = rHg gh Al nivel del mar y a 0o C h = 0.760 m, entonces P0 = 1.013 x 105 Pa

Slide 12: Fluidos en movimiento Nos concentraremos en el flujo estable, es decir, en el movimiento de fluido para el cual v y p no dependen del tiempo. La presión y la velocidad pueden variar de un punto a otro, pero supondremos que todos los cambios son uniformes. Un gráfico de velocidades se llama diagrama de línea de flujo. Como el de la siguiente figura.

Slide 13: SIMPLIFICACIONES Emplearemos las siguientes hipótesis: 2. El fluido es incomprensible. 3. La temperatura no varía. 4. El flujo es estable, y entonces la velocidad y la presión no dependen del tiempo. 5. El flujo no es turbulento, es laminar. 6. El flujo es irrotacional, de modo que no hay circulación. 7. El fluido no tiene viscosidad.

Slide 14: La ecuación de continuidad Considere el siguiente tubo de flujo. De acuerdo a la conservación de la masa, se tiene: r1v1 A1 =r2v2 A2 Si nos restringimos a fluidos incomprensibles, entonces r1 El producto (velocidad =r2 y se deduce que perpendicular a un área) x (área) es el flujo, F. v1 A1 = v2 A2

Slide 15: Ecuación de Bernoulli Dado que Wneto = DK + DU, se puede llegar a p1 + 1  v12 +  gh1 = p2 + 1  v2 +  gh2 2 2 2 En otras palabras: p + 1  v +  gh = constante 2 2

Slide 16: La ecuación de Bernoulli establece que la suma de la presión, (p), la energía cinética por unidad de volumen (1/2 r v2) y la energía potencial gravitacional por unidad de volumen (r gy) tiene el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línes de corriente.

Slide 17: El tubo de Venturi 2 1 2 ￩￦ 1 A p1  p2 = r v1 ￪ 1 2 ￪￨ A2 ￫

Slide 18: Ley de Torricelli

Slide 19: Gases – 8.1. Masa atómica – 8.2. Temperatura – 8.3. El gas ideal – 8.4. Teoría cinética de los gases ideales – 8.5. Gases reales

Slide 20: Leyes de los gases • Ley de Boyle-Mariotte (a “T” constante). p · V = constante; p1 · V1 = p2 · V2 • Ley de Charles Gay-Lussac (a “p” constante). • V V1 V2 — = constante ; —— = —— T T1 T2

Slide 21: Ecuación general de los gases ideales. • Igualmente puede demostrarse que a V constante: • P — = constante ; T • Con lo que uniendo las tres fórmulas queda: • P·V ——— = constante ; T

Slide 22: Ecuación general de los gases ideales. • La constante depende de la cantidad de gas. Para 1 mol Para “n” moles • P·V P·V ——— = R ; ——— = n · R T T • que suele escribirse de la siguiente forma: p ·V = n ·R ·T • R = 0’082 atm·l/mol·K = 8’31 J/mol·K

Slide 23: Condiciones normales • Se denominan condiciones normales (C.N.) a las siguientes condiciones de presión y temperatura: • P = 1 atmósfera • T = 0 ºC = 273 K

Slide 24: Ejemplo: A la presión de 3 atm y 20 ºC, una cierta masa gaseosa ocupa un volumen de 30 litros. Calcula el volumen que ocuparía en condiciones normales. p1·V1 p2· V2 p1·V1·T2 ——— = ————  V2 = ————— = T1 T2 p2·T1 3 atm · 30 l · 273 K V2 = —————————— = 83’86 litros 1 atm · 293 K

Slide 25: Ejercicio: Calcula la masa molecular de un gas, sabiendo que 32,7 g del mismo ocupan a 50ºC y 3040 mm de Hg de presión un volumen de 6765 ml Como m m n =——  p · V = —— · R · T M M Despejando M queda: m ·R ·T 32,7 g ·0’082 atm ·L ·323 K 760 mm Hg M= ———— =——————————————— ·—————— p·V mol ·K· 6,765 L ·3040 mm Hg 1 atm M = 32,0 g/mol

Slide 26: Ejercicio: ¿Qué volumen ocupará un mol de cualquier gas en condiciones normales? • Despejando el volumen: • n·R·T 1 mol · 0’082 atm · L · 273 K V= ————— = ——————————————— = p mol · K 1 atm • = 22’4 litros • El volumen de un mol (V/n) se denomina Volumen molar que se expresa como 22’4 L/mol y es idéntico para todos los gases tal y como indica la hipótesis de Avogadro.

Slide 27: Ejercicio: La densidad del gas butano (C4H10) es 1,71 g · l-1 cuando su temperatura es 75 ºC y la presión en el recinto en que se encuentra 640 mm Hg. Calcula su masa molar. • Como: n = m / M(C4H10) y densidad: d = m / V • P · V = n · R · T = (m/M) · R · T • de donde: m·R·T d·R·T M = —————— = ———— P·V p • 1,71 g · 0,082 atm · L · 348,15 K 760 mm Hg M = ———————————————— · —————— = L · mol · K · 640 mm Hg 1 atm • M= 58 g/mol que coincide con el valor numérico calculado a partir de Mat: • M (C4H10) = 4 Mat(C) +10 Mat(H)= 4 ·12 u + 10 ·1 u = 58 u

Slide 28: Teoría cinética de los gases (postulados). • Los gases están formados por partículas separadas enormemente en comparación a su tamaño. El volumen de las partículas del gas es despreciable frente al volumen del recipiente. • Las partículas están en movimiento continuo y desordenado chocando entre sí y con las paredes del recipiente, lo cual produce la presión.

Slide 29: Teoría cinética de los gases (postulados). • Los choques son perfectamente elásticos, es decir, en ellos no se pierde energía (cinética). • La energía cinética media es directamente proporcional a la temperatura.

Slide 30: Presión parcial • Cuando existe una mezcla de gases se denomina “presión parcial” de un gas a la presión ejercida por las moléculas de ese gas como si él solo ocupara todo el volumen. • Se cumple, por tanto la ley de los gases para cada gas por separado Si, por ejemplo hay dos gases A y B pA·V = nA·R · T ; pB·V = nB·R·T

Slide 31: Presión parcial (continuación). • pA·V = nA·R · T ; pB·V = nB·R·T • Sumando miembro a miembro ambas ecuaciones: • (pA + pB) ·V = (nA+ nB) · R · T • Como la suma de la presiones parciales es la presión total: ptotal = pA+ pB • se obtiene que • p ·V = n ·R ·T (ecuación general)

Slide 32: Presión parcial (continuación). • La presión parcial es directamente proporcional al nº de moles: • nA pA nA —— = ——  pA = —— · p = A · p n p n donde A se llama fracción molar. Igualmente: • nB pB = —— · p = B · p n • nA nB nA+ nB pA + pB = — · p + — · p = ——— · p n n n • p = pA + pB

Slide 33: Ejemplo: Una mezcla de 4 g de CH4 y 6 g de C2H6 ocupa un volumen de 21,75 litros. Calcula: a) la temperatura de la mezcla si la presión total es de 0’5 atm; b) la presión parcial de cada gas. a) 4g n (CH4) =————— = 0,25 mol 16 g/mol 6g n (C2H6) =————— = 0,20 mol 30 g/mol n (total) = n (CH4) + n (C2H6) = 0,25 mol +0,20 mol = 0,45 mol p ·V 0’5 atm · 21,75 L · mol · K T = ——— = —————————————— = 295 K n ·R 0,45 mol · 0,082 atm · L

Slide 34: Ejemplo: Una mezcla de de 4 g de CH4 y 6 g de C2H6 ocupa un volumen de 21,75 litros. Calcula: a) la temperatura de la mezcla si la presión total es de 0’5 atm; b) la presión parcial de cada gas. b) n (CH4) 0,25 mol p (CH4) = ———— · p = ————— ·0,5 atm = n (total) 0,45 mol p (CH4) = 0,278 atm n (C2H6) 0,20 mol p (C2H6) = ———— · p = ————— ·0,5 atm = n (total) 0,45 mol p (C2H6) = 0,222 atm

Slide 35: Líquidos – 9.1. Calor de vaporización – 9.2. Tensión superficial – 9.3. Acción capilar – 9.4. Ósmosis – 9.5. Presión negativa

Slide 36: • Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que carecen los gases: tienen una superficie "libre", o sea tienen una superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esa superficie se forma por una combinación de atracción gravitacional de la Tierra (fuerza peso) y de fuerzas entre las moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos (salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada "tensión superficial". Aunque relativamente pequeña, esta fuerza es determinante para muchos procesos biológicos, para la formación de burbujas, para la formación de olas pequeñas, etc.

Slide 37: • LA COHESIÓN • Se define como la fuerza de atracción entre partículas (como son las moléculas que forman los líquidos) de la misma clase. • Si tenemos dos partículas de forma aislada como en la siguiente figura, cada una de ellas se verá afectada por una fuerza que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.

Slide 38: LA ADHERENCIA • La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a causa de la adherencia y cohesión.

Slide 39: - Fuerzas de adhesión que unen las moléculas a la superficie. La forma del menisco en la superficie de un líquido: » Si las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas de cohesión, la superficie del líquido es atraída hacia el centro del contenedor. Por ello, el menisco toma forma de U. » Si las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión, el menisco se curva hacia el exterior.

Slide 40: Tensión superficial • Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido esté "cohesionado". Cuando hay una superficie, las moléculas que están justo debajo de la superficie sienten fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraídas hacia el interior de éste.

Slide 42: • Para algunos efectos, esta película de moléculas superficiales se comporta en forma similar a una membrana elástica tirante (la goma de un globo, por ejemplo). De este modo, es la tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un gotario. Ella explica también la formación de burbujas.

Slide 43: Tensión superficial se expresa también como: La energía necesaria para aumentar el área superficial de un líquido.  La superficie de un líquido se comporta como una membrana o barrera  Esto se debe a las desiguales fuerzas de atracción entre las moléculas y la superficie

Slide 44: La tensión superficial y la temperatura

Slide 45: • La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie (la "goma" que se menciona antes") dividida por la longitud del borde de esa superficie (OJO: no es fuerza dividida por el área de la superficie, sino dividida por la longitud del perímetro de esa superficie). Por ejemplo,

Slide 46: Formalmente donde F es la fuerza que debe hacerse para "sujetar" una superficie de ancho l. El factor 2 en la ecuación se debe a que una superficie tiene dos “áreas" (una por cada lado de la superficie), por lo que la tensión superficial actúa doblemente.

Slide 47: Algunos valores de la tensión superficial son: Líquido Temperatura Temperatura líquido (ºC) líquido (ºC) Petróleo 0º 0,0289 Mercurio 20º 0,465 Agua 0º 0,0756 20º 0,0727 50º 0,0678 100º 0,0588

Slide 48: La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo algunos animales utilizan la tensión superficial del agua.

Slide 49: • En la figura se observa un arácnido, fotografiado mientras camina sobre el agua. Se observa que el peso del arácnido está distribuido entre sus ocho patas y el abdomen, por lo que la fuerza de sustentación que debe proveer la superficie del agua (la tensión superficial) sobre las ocho patas y el abdomen debe ser igual al peso del arácnido.

Slide 50: • Con moléculas de otras sustancias puede haber atracción o repulsión. La dirección de resultante (sólido-líquido + líquido-líquido) hace que el líquido se eleve o hunda levemente muy cerca de paredes sólidas verticales, según haya atracción o repulsión. Para diferentes combinaciones de líquidos y sólidos se tabulan los ángulos de contacto. Angulos menores de 90º corresponden a atracción y mayores de 90º a repulsión. Esto también explica la formación de meniscos en tubos angostos y el ascenso o descenso de líquido por tubos capilares.

Slide 51: Ley de Laplace • Establece la relación entre el tamaño de una cavidad y la diferencia de presiones entre sus paredes cerradas por la tensión de una membrana elástica o las dos películas líquidas en una burbuja

Slide 52: • El modelo de membrana esférica es aplicable a cavidades del cuerpo (alvéolos pulmonares, ventrículos del corazón). Consiste en imaginar la membrana formada por dos hemisferios, cada uno de los cuales se encuentra en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas contrarias.

Slide 53: • 1) La diferencia de presiones tiende a separar cada hemisferio del otro. Sobre cada porción de membrana la presión es perpendicular a ella, la fuerza resultante debería calcularse por descomposición de todas las contribuciones. Para este caso, resulta igual al producto de la diferencia de presiones por el área de la circunferencia que resulta al proyectar un hemisferio sobre un plano paralelo al que separa ambos hemisferios. Así, Fp = (D P)*(pr2); donde (DP) = (Pi - Po), Pi = presión interior, y Po = presión exterior.

Slide 54: • 2) Debido a la tensión de la membrana cada hemisferio se mantiene unido al otro. Dado que la membrana actúa como un todo, se considera sólo una vez la longitud de la zona de contacto entre ellos (perímetro de circunferencia). Así, la fuerza debido a la tensión • superficial g es: Ft = (2pr)g . El resultado es (DP)r = 2 g. Si es constante, se requiere mayor presión para mantener hinchada una esfera pequeña.

Slide 55: • Para el caso de los alvéolos, la presión externa P0 corresponde a la presión del líquido de la cavidad pleural. Durante la inspiración los alvéolos se hinchan, P0 disminuye y (DP) aumenta. Al crecer tanto r como (gP) los alvéolos explotarían si fuese constante. La tensión superficial se ajusta por la presencia de un líquido tensioactivo cuyas largas moléculas se separan. Durante la expiración r disminuye, P0 aumenta y (D P) disminuye por lo que los alvéolos tienden al colapso, entonces las moléculas del tensioactivo se alinean una al lado de la otra provocando el descenso necesario de la tensión superficial. • Para una burbuja esférica, se deben considerar dos superficies. Por lo tanto, (D P) r = 4 g.

Slide 56: Capilaridad: Cuando un tubo de vidrio muy estrecho (capilar) se introduce en un líquido, el nivel del menisco sube y a este efecto se le conoce como capilaridad.

Slide 57: Presión de vapor Moléculas en estado vapor Moléculas que pasan a vapor (se vaporizan) Moléculas que pasan al líquido (se condensan)

Slide 58: Cuando la velocidad de condensación se hace igual a la velocidad de vaporización, el líquido y el vapor están en un estado de equilibrio dinámico: Lﾒquido Vapor La presión ejercida por el vapor se mantiene constante una vez alcanzado el equilibrio dinámico, y se conoce como presión de vapor de un líquido. Pv  La presión de vapor de un líquido siempre aumenta al aumentar la temperatura. Tª

Slide 59: Sólidos – 10.1. Sólidos cristalinos – 10.2. Propiedades mecánicas de los sólidos – 10.3. Sólidos no cristalinos – 10.4. Materiales biológicos

Slide 60: Tipos de materiales • Sólidos cristalinos – policristalinos – cristales simples o monocristales • Sólidos amorfos o no cristalinos

Slide 61: Solidificación de metales a partir del metal fundido • Formación de núcleos estables en metales líquidos – nucleación homogénea y heterogénea • Crecimiento de cristales en un metal líquido y formación de estructura granular • Obtención de monocristales • Vidrios metálicos

Slide 62: Etapas en la solidificación de metales

Slide 63: Estructuras cristalinas de los metales • cúbica centrada en el cuerpo (cI) • cúbica compacta o centrada en las caras (ecc) • hexagonal compacta (ehc)

Slide 64: Empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo

Slide 66: Características de las estructuras cI • densidad de empaquetamiento 68% • átomos por celda unidad 2 • número de coordinación 8 8 átomos a una distancia y 6 átomos a una distancia a ( 15% mayor) 3 a ﾻ 0,866a 2

Slide 67: Algunas definiciones y representaciones de la celda unidad  for a y ta a o de la celda u id d m mñ na  posicion de los átom den o d la celd : es os tr e a coor a s a ica x y z den da tóm s , , c  coor a s fr ccion r s x y z den da a a ia /a, /b, /c b a direcciones  =  bc cristalográficas  =  ac g=  ab

Slide 68: Calor – 11.1. La primera ley de la termodinámica – 11.2. Calor específico – 11.3. Transmisión del calor – 11.4. Regulación de la temperatura del cuerpo

Slide 69: Temperatura (T). • Es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media). • Es una magnitud “intensiva”, es decir, no depende de la intensiva masa del sistema. • Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio térmico). • Para medir T se utilizan los termómetros que se basan en la dilatación de los líquidos (normalmente mercurio).

Slide 70: Escalas termométricas. • Centígrada (Celsius).(ºC) – Es la que usamos normalmente. – Usa el “0” el punto de fusión del agua y “100” el punto de ebullición de la misma. • Farenheit (ºF). – Utilizada en el mundo anglosajón. – Usa el “32” el punto de fusión del agua y “212” el punto de ebullición de la misma. • 100 ºC equivalen a 180 ºF

Slide 71: Escalas termométricas (cont.). • Absoluta (Kelvin). (K) – Se usa en Química. – Usa el “273” el punto de fusión del agua y “373” el punto de ebullición dela misma. • Cada ºC equivale a 1 K. Simplemente, la escala está desplazada. • 0 K (–273 ºC) es la temperatura más baja posible.

Slide 72: Conversión entre escalas. • F – 32 C T(abs) – 273 ——— = —— = —————— 180 100 100 • F – 32 C F – 32 T(abs) – 273 ——— = — ; ——— = —————— 9 5 9 5 • C = T (abs) – 273

Slide 73: Ejemplo: Un inglés te dice que tiene fiebre porque tiene 104ºF. ¿Cuántos grados centígrados son) ¿Cuántos kelvins? F – 32 C 5·(F – 32) 5·(104 – 32) ——— = —  C = ————— = ————— 9 5 9 9 C = 40ºC T (abs) = C + 273 = 40 + 273 = 313 K

Slide 74: Formas de transferencia de calor. • Conducción: Se da fundamentalmente en sólidos. Al calentar un extremo. Las moléculas adquieren más energía y vibran sin desplazarse, pero comunicando esta energía a las moléculas vecinas. • Convección: Se da fundamentalmente en fluidos (líquidos y gases). Las moléculas calientes adquieren un mayor volumen y por tanto una menor densidad con lo que ascienden dejando hueco que ocupan las moléculas de más arriba. • Radiación: Se produce a través de ondas electromagnéticas que llegan sin necesidad de soporte material. De esta manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol.

Slide 75: Formas de transferencia de calor.

Slide 76: Calor y temperatura. • Cuando un cuerpo recibe calor puede: • Aumentar su temperatura. En este caso, el calor recibido temperatura dependerá de: – Lo que se quiera aumentar T (DT) – De la masa a calentar (m) – Del tipo de sustancia (ce = calor específico) • Cambiar de estado físico. En este caso la temperatura no varía, y el calor recibido dependerá de: – De la masa a cambiar de estado (m) – Del tipo de sustancia (Lf o Lv = calor latente de fusión o vaporización) • Ambas cosas. cosas

Slide 77: Efecto del calor sobre la temperatura.

Slide 78: Cambios de estado

Slide 79: Fórmulas del calor • Si se produce: • Aumento su temperatura: temperatura • Q = m· ce · DT • Cambio de estado físico: físico • QF = LF · m QV = LV · m

Slide 80: Equilibrio térmico. • Obviamente, si un cuerpo adquiere calor , es porque otro lo cede, de forma que: • Qabsorbido = – Qcedido • Sea A el cuerpo de menor temperatura (absorberá calor) y el B de mayor temperatura (cederá calor). Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (Teq): mA· ceA· (Teq– T0A) = – mB· ceB· (Teq– T0B) • O también: mA· ceA· (Teq– T0A) = mB· ceB· (T0B –Teq)

Slide 81: Ejemplo: Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120ºC en un recipiente con ½ litro de agua a 18ºC. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro. a) mA· ceA· (Teq– T0A) = – mB· ceB· (Teq– T0B) J J 0,5 kg ·4180 —— (Teq–18ºC) = 0,2 kg ·460 —— (120ºC– Teq) K·kg K·kg Resolviendo la ecuación obtenemos que la temperatura de equilibrio es: Teq= 22,3ºC b) Qcedido = mA· ceA· (Teq– T0A) = J = 0,2 kg ·460 —— ·(22,3ºC – 120ºC) = –8990 J K·kg

Slide 82: Ejemplo: Calcula el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica.(LF = 3,34 ·105 J/kg; LV = 2,26 ·106 J/kg) El calor total será la suma del necesario para pasar de hielo a – 10ºC a hielo a 0ºC (Q1), de fundir el hielo (Q2), de pasar el agua líquida a 0ºC a agua líquida a 100ºC (Q3), de vaporizar el agua (Q4) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110ºC (Q5): Q1=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(2,05 kJ/kg·K)·10 K = 20,5 kJ Q2=m · LF = 1 kg ·(3,34 ·105 J/kg) = 334 kJ Q3=m· ce·(T– T0) = 1 kg·(4,18 kJ/kg·K)·100 K = 418 kJ Q4=m · LV = 1 kg ·(2,26 ·106 J/kg) = 2260 kJ Q5=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(1,96 kJ/kg·K)·10 K = 19,6 kJ QTOTAL= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 20,5 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJ

Slide 83: Dilatación • Lineal: l = l0·(1 + l ·DT) • Superficial: S = S0·(1 +  ·DT) • Cúbica: V = V0·(1 +  ·DT) • “l”, “” y “” son los coeficientes de dilatación, lineal, superficial y cúbica respectivamente, y dependen del tipo de material. Se miden en K–1. • Para un mismo material  = 2 l;  = 3 l.

Slide 84: Ejemplo: Una barra de aluminio mide 45 cm a 20 ºC. ¿Qué longitud en centímetros tendrá si la calentamos hasta 180ºC?. El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 2,5 ·10–5 ºC–1. l = l0·(1 + l ·DT) = 0,45 m·[1 + 2,5 ·10–5 ºC–1·(180ºC – 20ºC)] = l = 0,450675 m = 45,0675 cm

Slide 85: Dilatación en los gases. • Para todos los gases el coeficiente de dilatación cúbica se denomina “” y vale “1/273 K–1. • Sea T0 = 0 ºC = 273 K • V= V0·[1 + (1/273 K–1) ·(T – T0)] = V0 ·[1 + (T /273) K–1 – 1] • V · 273 K = V0 ·T • Ley de Chales Gay-Lussac: • V V0 —— = —— T T0

Slide 86: Equivalencia calor-trabajo. • A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teoría del “calórico”). • Joule demostró que el calor era una forma de energía y calculó la equivalencia entre la caloría (unidad de calor) y el julio (unidad de trabajo-energía). 1 J = 0’24 cal ; 1 cal = 4’18 J

Slide 87: Aparato de Joule para transformar trabajo en calor y obtener el equivalente mecánico del calor

Slide 88: Energía interna (U) • Es la energía total de las partículas que constituyen un sistema. • Es igual a la suma de todas las energías de rotación, traslación, vibración y enlace entre los átomos que constituyen las moléculas. • Es una magnitud “extensiva”, es decir, depende de la masa extensiva del sistema. • Es muy difícil de medir. En cambio es fácil determinar la variación de ésta (DU).

Slide 89: Primer principio de la Termodinámica CALOR CALOR Q>0 Q<0 TRABAJO TRABAJO W< 0 W>0 • Un sistema pierde energía interna (DU < 0) si cede calor o realiza un trabajo y gana energía interna (DU > 0) si absorbe calor o el exterior ejerce un trabajo sobre él (compresión). • DU=Q+W

Slide 90: Trabajo en sistemas gaseosos. •     W = ∫F · dr = ∫ p · S · dr = ∫– p · dV • En el caso de que la presión sea constante (sistemas isobáricos), la integral es inmediata: • W = – p · DV • El signo menos se debe al actual criterio de signos que decide que sea negativa toda la energía que salga de un sistema. Si un sistema realiza un trabajo hacia el exterior es porque ha perdido energía.

Slide 91: Tipos de procesos. ƒ • Adiabáticos: (Q = 0) Adiabáticos – No tiene lugar intercambio de calor con el exterior (por ejemplo, un termo) D U = W • Isócoros: (V = constante) – Tienen lugar en un recipiente cerrado. – Como DV = 0  W = 0  Qv = D U • Isobáricos: (p = constante) D U = Qp – p·DV ; U2 – U1 = Qp – (p·V2 – p·V1) – U2 + p·V2 = Qp + U1 + p·V1 – Si llamamos H = U + p·V  Qp = H2 – H1 = DH • Isotérmicos: (T = constante)

Slide 92: Ejemplo: Una masa de 18 g de agua es transformada en vapor a 101300 Pa y 100ºC convirtiéndose en 30,6 litros de vapor a esta misma presión. Si LV (agua) es 2,26 ·106 J/kg, calcula: a) la energía suministrada en forma de calor; b) el trabajo realizado por el sistema; c) la variación de energía interna. a) Q = m · LV = 0,018 kg ·(2,26 ·106 J/kg) Q = 40,68 kJ b) El volumen del agua líquida se puede despreciar frente al del gas: 1,8 · 10–2 L << 30,6 L W = – p ·DV = = –101300 N·m –2·(30,6 · 10–3 m3) = –3,1 kJ c) DU = Q + W = 40,68 kJ – 3,1 kJ = 37,58 kJ

Slide 93: Segundo principio de la Termodinámica. • Todo el trabajo que se suministra a un sistema puede almacenarse como calor. • Sin embargo, el proceso contrario no es posible: “No todo el calor suministrado o absorbido por el sistema y que hace aumentar U del mismo, puede recuperarse en forma de trabajo” ya que parte del calor se emplea en calentar un foco trabajo frío. • |W| |Qabsorbido| – |Qcedido al foco frío| h = ————— =————————————— |Qabsorbido| |Qabsorbido| • También puede darse en tanto por 100.

Slide 94: Esquema de una máquina térmica FOCO CALIENTE (T1) Q1 Q1 – Q2 W Q2 FOCO FRÍO (T2)

Slide 95: Máquinas térmicas • Las máquinas térmicas son las encargadas de transformar Q en W y tienen un rendimiento inferior al 100 %. • Máquina de vapor. • Turbina de vapor. • Motor de cuatro tiempos. – Aspiración o admisión – Compresión – Explosión. – Expulsión. • Motor Diesel.

Slide 96: Máquina de vapor

Slide 97: Turbina de vapor

Slide 98: Motor de cuatro tiempos Admisión Compresión Explosión Expulsión 1, Bujías: 2, pistones; 3, correa de transmisión; 4 generador

Slide 99: Ejemplo: Una máquina térmica extrae en cada ciclo 30 kJ del foco caliente y suministra 8 kJ al foco frío. Calcula: a) el trabajo que realiza; b) el rendimiento de la máquina. a) |W| = |Qabsorbido| – |Qcedido al foco frío| = 30 kJ – 8 kJ Trabajo realizado = 22 kJ b) |W| |Qabsorbido| – |Qcedido al foco frío| h = ————— =————————————— |Qabsorbido| |Qabsorbido| |W| 22 kJ h = ————— = ——— = 0,73 ; h = 73 % |Qabsorbido| 30 kJ v

Slide 100: CALOR ESPECÍFICO (a 25 ºC)v SUSTANCIA cal/g ºC J/kg ·K • Agua (líquida) 1,00 4180 • Agua (hielo) 0,49 2050 • Agua (vapor) 0,47 1960 • Aceite de oliva 0,47 2000 • Aire 0,24 1010 • Aluminio 0,22 900 • Alcohol etílico 0,59 2450 • Oro 0,03 130 • Granito 0,19 800 • Hierro 0,11 460 • Plata 0,06 240 • Acero inoxidable 0,12 510 • Madera 0,42 1760

Slide 101: Termodinámica – 12.1. Transformaciones termodinámicas – 12.2. La segunda ley de la termodinámica – 12.3. Formulación estadística de la segunda ley – 12.4. Entropía, energía libre y entalpía

Slide 102: 1. Dirección de los procesos termodinámicos • Los procesos en la naturaleza son irreversibles. • Todo sistema tiende a un estado menos ordenado. • Procesos idealizados Cuasiestáticos: se produce un cambio de estado mediante variaciones infinitesimales de las condiciones del sistema. Sucesión de estados de equilibrio. Reversibles: una pequeña modificación de las condiciones del sistema puede cambiar la dirección del proceso

Slide 103: 2. Entropía • Es una medida cuantitativa del desorden • Se define el cambio infinitesimal de entropía dS durante un proceso reversible como S = [J/K] • La entropía es una función de estado del sistema. • Para calcular la variación de entropía en procesos irreversibles basta encontrar un camino reversible que conecte los estados inicial y final del sistema.

Slide 104: 3. Entropía en un gas ideal (procesos reversibles) • Recordemos la primera ley de la termodinámica de forma infinitesismal • En un gas ideal pV=nRT • Variación de entropía total entre T2 V2 un estado 1 y un estado 2 DS = Cv ln + nR ln T1 V1 dQrev dT dV dS = = Cv + nR T T V

Slide 105: 3.1 Proceso isotermo (reversible) • T= cte • Si el sistema aumenta de volumen • En un sistema Universo cerrado • La variación total de entropía es nula DStotl= DSg + DSentono = 0

Slide 106: 3.1 Proceso isóbaro (reversible) • El calor y la variación de entropía no son proporcionales dQrev. dT T2 • P= cte dS = = Cp DS gas = C p ln T1 T T • Si el sistema aumenta de temperatura • Si el proceso es reversible DStotl= DSg + DSentono = 0 • En procesos irreversibles

Slide 107: 3.2 Proceso isócoro (reversible) • El calor y la variación de entropía no son proporcionales dQrev. dT T2 • V= cte dS = = Cv DS gas = Cv ln T T T1 • Si el sistema aumenta de temperatura • Si el proceso es reversible DStotl= DSg + DSentono = 0 • En procesos irreversibles

Slide 108: 3.3 Expansión libre • Supongamos el gas recluido en un recipiente aislado de su entorno. Sobre él no se realiza ningún trabajo. Proceso reversible • DU=0, W=0, Q=0 isotermo • El gas se encuentra en un V volumen V1. Al abrir la DSg = nR ln 2 > 0 V1 compuerta se expandirá hasta ocupar todo el volumen. El entorno no se ve • Es un proceso irreversible. modificado • Para calcular la variación de entropía debemos imaginar un La variación de entropía proceso reversible que conecte total es positiva Proceso los dos estados. irreversible

Slide 109: 4. Segunda ley de la termodinámica • La segunda ley de la termodinámica determina la dirección preferida de los procesos irreversibles de la naturaleza Hacia el máximo desorden. • Si se incluyen todos los sistemas que participan en un proceso, la entropía se mantiene constante o aumenta. La entropía del Universo nunca puede disminuir • Procesos reversibles DS=0 • Procesos irreversibles DS>0

Slide 110: 5. Otras Formulaciones • Máquina térmica (Kelvin): • Refrigerador térmico (Clausius): Es imposible extraer calor de un Es imposible un proceso sistema a una sola temperatura y espontáneo cuyo único resultado convertirlo en trabajo mecánico sea el paso de calor de un objeto sin que el sistema o los a otro de mayor temperatura. alrededores cambien de algún modo. Th T Qh le o sib Q sible e sp Refrigerador o No e sp No Qc Máquina W Tc