La Temperatura

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DefinicinSe puede considerar a la temperatura como la propiedad que determina si un objeto est en equilibrio trmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio trmico, uno con otro, estn a la misma temperatura. En sentido inverso, si dos objetos tienen diferentes temperaturas, no estn en equilibrio trmico uno con otro.

Termmetros y escala de temperatura CelsiusEn la escala de temperatura Celsius, esta mezcla se define como una temperatura de cero grados Celsius, que se escribe como 0C; esta temperatura se llama punto de hielo del agua. Otro sistema usado comnmente es una mezcla de agua y vapor en equilibrio trmico a presin atmosfrica; su temperatura se define como 100C, que es el punto de vapor del agua.

Las escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit y KelvinUna escala de temperatura comn y de uso actual en Estados Unidos es la escala Fahrenheit. Dicha escala ubica la temperatura del punto de hielo en 32F y la temperatura del punto de vapor en 212F. La relacin entre las escalas de temperatura Celsius yFahrenheit es:

donde donde es la temperatura Celsius y T es la temperatura absoluta.

Esta escala de temperatura absoluta nueva (tambin llamada escala Kelvin) emplea la unidad del SI de temperatura absoluta, el kelvin, que se define como 1/273.16 de la diferencia entre el cero absoluto y la temperatura del punto triple del agua.La figura da la temperatura absoluta de varios procesos y estructuras fsicos. La temperatura del cero

(1.3)(1.3)

(1.2)(1.2)

(1.1)(1.1)

absoluto (0 K) no se puede lograr, aunque experimentos de laboratorio han estado muy cerca de lograrlo, han llegado a temperaturas de menos de un nanokelvin.

A partir de las ecuaciones anteriores se encuentra una correspondencia entre los cambios de temperatura en las escalas Celsius, Kelvin y Fahrenheit:

De estas tres escalas de temperatura, slo la escala Kelvin est en funcin de un verdadero valor de temperatura cero. Las escalas Celsius y Fahrenheit se basan en un cero arbitrario asociado con una sustancia particular, agua, en un planeta particular, la Tierra. En consecuencia, si usted encuentra unaecuacin que pida una temperatura T o que involucre una relacin de temperaturas, debe convertir todas las temperaturas a kelvins.Ejemplo:En un da la temperatura alcanza 50F, cul es la temperatura en grados Celsius y en kelvins?Solucin:

10

283.15

Expansin trmica de slidos y lquidosEl estudio del termmetro lquido utiliza uno de los cambios mejor conocidos en una sustancia: a medida que aumenta la temperatura, su volumen aumenta. Este fenmeno, conocido como expansin trmica, juega un papel importante en numerosas aplicaciones de ingeniera.La expansin trmica es una consecuencia del cambio en la separacin promedio entre los tomos en un objeto.

Suponga que un objeto tiene una longitud inicial Li a lo largo de alguna direccin en alguna

conveniente considerar el cambio fraccionario en longitud por cada grado de cambio de temperatura, el coeficiente de expansin lineal promedio se define como

donde Lf es la longitud final, Ti y Tf son las temperaturas inicial y final, respectivamente, y la

determinado y tiene unidades de (C)^-1.

Ya que las dimensiones lineales de un objeto cambian con la temperatura, se sigue que el rea superficial y el volumen tambin cambian. El cambio en volumen es proporcional al volumen inicial Vi y al cambio en temperatura de acuerdo con la relacin:

promedio del slido es el mismo en todas direcciones; es decir: suponga que el material es isotrpico.

(2.4)(2.4)

(2.1)(2.1)

(2.3)(2.3)

(2.2)(2.2)

La tabla menciona los coeficientes de expansin lineal promedio de diferentes materiales. Para

Ejemplo:Un segmento de va de ferrocarril de acero tiene una longitud de 30.000 m cuando la temperatura es de 0.0C.A) Cul es su longitud cuando la temperatura es de 40.0C?Solucin:

0.01320000000

resolver para L[f]

Descripcin macroscpica de un gas idealPara un gas, es til saber cmo se relacionan las cantidades volumen V, presin P y temperatura T para una muestra de gas de masa m. En general, la ecuacin que interrelaciona estas cantidades, llamada ecuacin de estado, es muy complicada. Sin embargo, si el gas se mantiene a una presin muy baja (o densidad baja), la ecuacin de estado es muy simple y se encuentra experimentalmente. Tal gas de densidad baja se refiere como un gas ideal.

Conviene usar el modelo de gas ideal para hacer predicciones que sean adecuadas para describir el comportamiento de gases reales a bajas presiones.

Es provechoso expresar la cantidad de gas en un volumen determinado en trminos del nmero de moles n. Un mol de cualquier sustancia es aquella cantidad de la sustancia que contiene un nmero de Avogadro = 6.022x10^23 de partculas constituyentes (tomos o molculas). El nmero de moles n de una sustancia se relaciona con su masa m a travs de la expresin:

donde M es la masa molar de la sustancia. La masa molar de cada elemento qumico es la masa atmica (de la tabla peridica) expresada en gramos por cada mol. Por ejemplo, la masa de un tomo de He es 4.00 u (unidades de masa atmica), as que la masa molar del He es 4.00 g/mol.

Tabla Peridica de Elementos Qumicos

Ahora suponga que un gas ideal est confinado a un contenedor cilndrico cuyo volumen puede variarmediante un pistn mvil, como en la figura. Si supone que el cilindro no tiene fugas, la masa (o el nmero de moles) del gas permanece constante.

Estas observaciones se resumen mediante la ecuacin de estado para un gas ideal:

En esta expresin, tambin conocida como ley de gas ideal, n es el nmero de moles de gas en la muestra y R es una constante. Los experimentos en numerosos gases demuestran que, conforme la presin tiende a cero, la cantidad PV/nT tiende al mismo valor R para todos los gases. Por esta razn,R se llama constante universal de los gases. En unidades del SI la presin se expresa en pascales (1

(3.1)(3.1)

joules, y R tiene el valor:

R =8.314 J/mol*K

Si la presin se expresa en atmsferas y el volumen en litros (1 L = 10^3 cm^3 = 10^-3 m^3), por lo tanto R tiene el valorR = 0.082 06 L * atm/mol * K

La ley de gas ideal afirma que, si el volumen y la temperatura de una cantidad fija de gas no cambian,la presin tambin permanece constante.

La ley de gas ideal con frecuencia se expresa en trminos del nmero total de molculas N. Puesto que el nmero de moles n es igual a la razn del nmero total de molculas y el nmero de AvogadroNA,

donde es la constante de Boltzmann, que tiene el valor

J/K

Es comn llamar a cantidades tales como P, V y T variables termodinmicas de un gas ideal. Si la ecuacin de estado se conoce, una de las variables siempre se expresa como alguna funcin de las otras dos.EjemploUna lata de aerosol que contiene un gas propelente al doble de la presin atmosfrica (202 kPa) y quetiene un volumen de125.00 cm^3 est a 22C. Despus se lanza a un fuego abierto. Cuando la temperatura del gas en la lata alcanza 195C, cules la presin dentro de la lata? Suponga que cualquier cambio en el volumen de la lata es despreciable.Solucin: