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Temperatura y expansiónTemperatura y expansión
Capítulo 16Física Sexta edición Paul E. Tippens
Capítulo 16Física Sexta edición Paul E. Tippens
Temperatura y energía térmicaTemperatura y energía térmica La medición de la temperaturaLa medición de la temperatura El termómetro de gasEl termómetro de gas La escala de temperatura absolutaLa escala de temperatura absoluta Dilatación linealDilatación lineal Dilatación de áreaDilatación de área Dilatación de volumenDilatación de volumen La dilatación anómala del aguaLa dilatación anómala del agua
Temperatura y energía térmicaTemperatura y energía térmica
La La energía térmicaenergía térmica representa la energía interna total de representa la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías moleculares potencial un objeto: la suma de sus energías moleculares potencial y cinética.y cinética.
Cuando dos objetos con Cuando dos objetos con diferentes temperaturasdiferentes temperaturas se ponen en contacto, se ponen en contacto, se se transfiere energía transfiere energía de uno de uno a otro.a otro.
Se dice que dos objetos Se dice que dos objetos están en están en equilibrio térmicoequilibrio térmico si y sólo si tienen la misma si y sólo si tienen la misma temperatura.temperatura.
El El calor calor se define como la transferencia de energía térmica se define como la transferencia de energía térmica debida a una diferencia de temperatura.debida a una diferencia de temperatura.
La medición de la temperaturaLa medición de la temperatura
Un Un termómetrotermómetro es un dispositivo que, mediante una escala es un dispositivo que, mediante una escala graduada, indica su propia temperatura.graduada, indica su propia temperatura.
Los puntos fijos Los puntos fijos superior e inferior superior e inferior fueron necesarios fueron necesarios para establecer la para establecer la gradación de los gradación de los termómetros.termómetros.
El El punto fijo inferiorpunto fijo inferior (punto de (punto de congelación) es la temperatura a la cual congelación) es la temperatura a la cual el agua y el hielo coexisten en equilibrio el agua y el hielo coexisten en equilibrio térmico bajo una presión de 1 atm.térmico bajo una presión de 1 atm.
El El punto fijo superiorpunto fijo superior (punto de (punto de ebullición) es la temperatura a la ebullición) es la temperatura a la cual el agua y el vapor coexisten en cual el agua y el vapor coexisten en equilibrio bajo una presión de 1 atm.equilibrio bajo una presión de 1 atm.
t tC F 59 32 t tC F 5
9 32 t tF C 95 32 t tF C 9
5 32
El termómetro de gasEl termómetro de gas
El termómetro El termómetro aa volumen constante volumen constante
El termómetro El termómetro aa presión constante presión constante
La escala de temperatura absolutaLa escala de temperatura absoluta
0Temperature
Temperatura
Pre
sión
100°C(punto de ebullición)
373 K
0°C(punto de
congelación)273 K
Cero absoluto-273°C
0 K
T tK C 273T tK C 273
El cero absoluto en la escala Rankine es -460° F
El cero absoluto en la escala Rankine es -460° F
Dilatación linealDilatación lineal
L0
L
Lt0
tt L L t 0
L L t 0
Linear coefficient of expansion
L
L t0
Linear coefficient of expansion
L
L t0
Dilatación de áreaDilatación de área
A A t 0 A A t 0
donde:
A = cambio en el área = coficiente de dilatación de área
A0 = área originalt = cambio en la temperatura
donde:
A = cambio en el área = coficiente de dilatación de área
A0 = área originalt = cambio en la temperatura
Dilatación de volumenDilatación de volumen
V V t 0 V V t 0
donde:
V= cambio en el volumen = coeficiente de dilatación de volumen
V0 = área originalt = cambio en la temperatura
donde:
V= cambio en el volumen = coeficiente de dilatación de volumen
V0 = área originalt = cambio en la temperatura
V0
VVV
La dilatación anómala del aguaLa dilatación anómala del agua
La La densidad densidad del agua, del agua, y por lo tanto su y por lo tanto su volumenvolumen, se dilatan , se dilatan con cambios en la con cambios en la temperatura temperatura sobresobrey debajo dey debajo de 4ºC4ºC..
Conceptos clave Conceptos clave
• Energía térmicaEnergía térmica
• TemperaturaTemperatura
• Equilibrio térmicoEquilibrio térmico
• TermómetroTermómetro
• Punto de Punto de congelacióncongelación
• Punto de ebulliciónPunto de ebullición
• Escala CelsiusEscala Celsius
• Escala FahrenheitEscala Fahrenheit
• Cero absolutoCero absoluto
• Escala KelvinEscala Kelvin
• Escala RankineEscala Rankine
• Coeficiente de Coeficiente de dilatación linealdilatación lineal
Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones
t tC F 59 32 t tC F 5
9 32 t tF C 95 32 t tF C 9
5 32
T tK C 273T tK C 273 T tR F 460T tR F 460
L L L t 0 0 L L L t 0 0
L L t 0 L L t 0 A A t 0
A A t 0 V V t 0 V V t 0
A A A t 0 0 A A A t 0 0 V V V t 0 0 V V V t 0 0
2 2 3 3
L
L t0
L
L t0
Cantidad de calorCantidad de calor
Capítulo 17Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Capítulo 17Física Sexta edición
Paul E. Tippens
El significado de calorEl significado de calor La cantidad de calorLa cantidad de calor
Capacidad de calor específicoCapacidad de calor específico La medición del calorLa medición del calor
Cambio de faseCambio de fase Calor de combustiónCalor de combustión
La cantidad de calorLa cantidad de calor
Una Una caloríacaloría (Cal) es la cantidad de (Cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la calor necesaria para elevar la
temperatura de un gramo de agua un temperatura de un gramo de agua un grado Celsius.grado Celsius.Una Una kilocaloríakilocaloría (kcal) es la cantidad (kcal) es la cantidad
de calor necesaria para elevar la de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de temperatura de un kilogramo de
agua un grado Celsius.agua un grado Celsius.Una Una unidad térmica británicaunidad térmica británica (Btu) (Btu)
es la cantidad de calor necesaria es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una para elevar la temperatura de una libra patrón (lb) de agua un grado libra patrón (lb) de agua un grado
Fahrenheit.Fahrenheit.
1 kcal = 1000 Cal1 kcal = 1000 Cal
La capacidad de calor específicoLa capacidad de calor específico
La La capacidad capacidad caloríficacalorífica de un cuerpo de un cuerpo es la relación del calor es la relación del calor
suministrado con suministrado con respecto a l respecto a l
correspondiente correspondiente incremento de incremento de
temperatura del temperatura del cuerpo.cuerpo.
heat capacity Q
theat capacity
Q
t
El El calor específicocalor específico de un material es la de un material es la cantidad de calor cantidad de calor
necesaria para necesaria para elevar un grado la elevar un grado la
temperatura de una temperatura de una unidad unidad de masa.de masa.
cQ
m t
c
Q
m t
La medición de calorLa medición de calor
calor perdido = calor ganado
calor perdido = calor ganado
La La dirección de transferenciadirección de transferencia de de energía térmica siempreenergía térmica siempre
es de los cuerpos calientes a los fríos.es de los cuerpos calientes a los fríos.
Principio de equilibrio térmicoPrincipio de equilibrio térmico: : siempre que los objetos siempre que los objetos
se coloque juntos en un ambiente se coloque juntos en un ambiente aislado, con el tiempo alcanzarán la aislado, con el tiempo alcanzarán la
misma temperaturamisma temperatura..
Conservación de la energía Conservación de la energía térmica:térmica:
El El calor que pierdecalor que pierde el cuerpo el cuerpo caliente es igual caliente es igual
al al calor que ganacalor que gana el cuerpo el cuerpo frío.frío.
Cambio de faseCambio de fase
El El calor latente de fusióncalor latente de fusión L Lff de una sustancia de una sustancia
es el calor por unidad de es el calor por unidad de masa necesario para masa necesario para
cambiar la sustancia de la cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su fase sólida a la líquida a su
temperatura de fusión.temperatura de fusión.
Lf Q
mLf
Q
m
El El calor latente de calor latente de vaporizaciónvaporización L Lvv de una de una sustancia es el calor por sustancia es el calor por
unidad de masa necesario unidad de masa necesario para cambiar la sustancia para cambiar la sustancia
de líquido a vapor a su de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.temperatura de ebullición.
Lv Q
mLv
Q
m
Calor de combustiónCalor de combustión
El El calor de combustióncalor de combustión es la cantidad es la cantidad de calor por unidad de calor por unidad
de volumen o de masa cuando una de volumen o de masa cuando una sustancia se quema completamente.sustancia se quema completamente.
Conceptos clave Conceptos clave
• CalorCalor
• TemperaturaTemperatura
• CaloríaCaloría
• Unidad térmica Unidad térmica británicabritánica
• Equivalente Equivalente mecánico mecánico del calordel calor
• Capacidad Capacidad caloríficacalorífica
• Capacidad Capacidad calorífica calorífica específicaespecífica
• Conservación de Conservación de la energía la energía caloríficacalorífica
• CalorímetroCalorímetro
• Equivalente de Equivalente de aguaagua
• FusiónFusión
• Punto de Punto de fusiónfusión
• Calor latente Calor latente de fusiónde fusión
• VaporizaciónVaporización
• Punto de Punto de ebulliciónebullición
• Calor latente Calor latente de de
vaporizaciónvaporización
• CondensaciónCondensación
• CongelaciónCongelación
• SublimaciónSublimación
• Calor de Calor de combustióncombustión
Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones
1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal
1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal1 Btu =
778 ft•lb1 Btu = 778 ft•lb
1 cal = 4.186 J1 kcal = 4186 J
1 cal = 4.186 J1 kcal = 4186 J heat lost heat gained
mc mc
t loss t gain heat lost heat gained
mc mc
t loss t gain
LQ
mf LQ
mf Q mLfQ mLf
LQ
mv LQ
mv Q mLvQ mLv
Transferencia de calorTransferencia de calor
Capítulo 18Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Capítulo 18Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Métodos de transferencia de Métodos de transferencia de calorcalor
ConducciónConducción Aislamiento: el valor-RAislamiento: el valor-R
ConvecciónConvección RadiaciónRadiación
Métodos de transferencia de calorMétodos de transferencia de calor
ConducciónConducción es el proceso por el cual es el proceso por el cual se transfiere energía térmica mediante se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a colisiones de moléculas adyacentes a
través través de un medio material. El medio en sí de un medio material. El medio en sí
no se mueve.no se mueve.
ConvecciónConvección es el proceso por el cual es el proceso por el cual se transfiere calor por medio del se transfiere calor por medio del
movimiento real de la masa de un movimiento real de la masa de un fluido.fluido.
RadiaciónRadiación es el proceso mediante el es el proceso mediante el cual el calor se transfiere por cual el calor se transfiere por
medio de ondas electromagnéticas. medio de ondas electromagnéticas.
ConducciónConducción
La La conductividad térmicaconductividad térmica de una sustancia de una sustancia
es una medida de su es una medida de su capacidad para conducir el capacidad para conducir el calor y se define por medio calor y se define por medio
de esta relación.de esta relación.kQL
A t
k
QL
A t
Unidades SI: J/s•m•°C o W/m•K
USCS: Btu• in/ft2 • h•°F
Métricas: kcal/m • s •°C
Unidades SI: J/s•m•°C o W/m•K
USCS: Btu• in/ft2 • h•°F
Métricas: kcal/m • s •°C
ConducciónConducción es el proceso por el cual es el proceso por el cual se transfiere energía térmica mediante se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a colisiones de moléculas adyacentes a
través través de un medio material. El medio en sí de un medio material. El medio en sí
no se mueve.no se mueve.
Aislamiento: el valor-RAislamiento: el valor-R
El El valor-Rvalor-R de un material de un material se define se define
como la relación entre su como la relación entre su espesor espesor
y su conductividad térmica.y su conductividad térmica.
RL
kR
L
k
La La cantidad de calor cantidad de calor que que fluye por unidad de fluye por unidad de
tiempo a través de dos o tiempo a través de dos o más materiales de más materiales de diferente espesordiferente espesor
es proporcional a su área es proporcional a su área y diferencia y diferencia
de temperaturas, e de temperaturas, e inversamente inversamente
proporcional a la suma proporcional a la suma de valores-R.de valores-R.
Q A t
R ii
Q A t
R ii
ConvecciónConvección
HQ
hA t
HQ
hA t
ConvecciónConvección es el proceso por el cual es el proceso por el cual se transfiere calor se transfiere calor
por medio del movimiento real de la por medio del movimiento real de la masa de un fluido.masa de un fluido.
La La cantidad de calor cantidad de calor (H) que (H) que
se transfiere por se transfiere por convección convección
es proporcional al es proporcional al área y a la área y a la
diferencia de diferencia de temperaturas.temperaturas.
El término h
es el coeficient
e de convecci
ón.
El término h
es el coeficient
e de convecci
ón.
RadiaciónRadiación
La La radiación térmica radiación térmica está formada porestá formada por ondas electromagnéticasondas electromagnéticas emitidas por emitidas por
un sólido, un líquido o un gas en un sólido, un líquido o un gas en virtud de su temperatura.virtud de su temperatura.
Un Un absorbedor idealabsorbedor ideal o un o un radiador radiador irrealirreal son otra forma de llamar a los son otra forma de llamar a los
cuerpos negroscuerpos negros. .
La radiación emitida por un cuerpo La radiación emitida por un cuerpo negro se llama negro se llama radiación de cuerpo radiación de cuerpo
negronegro..
La La emisividademisividad es una medida de la es una medida de la capacidad de un cuerpo para capacidad de un cuerpo para
absorber o emitir radiación térmica.absorber o emitir radiación térmica.
RadiaciónRadiación
donde:R = energía radiada por unidad de tiempo por unidad
de áreae = emisividad de la superficie 0-1
constante de Stefan 5.67 x 10-8 W/M2 • K4
T4 = temperatura absoluta a la cuarta potencia
donde:R = energía radiada por unidad de tiempo por unidad
de áreae = emisividad de la superficie 0-1
constante de Stefan 5.67 x 10-8 W/M2 • K4
T4 = temperatura absoluta a la cuarta potencia
RP
Ae T 4R
P
Ae T 4Ley de Ley de
Stefan-Stefan-Boltzmann:Boltzmann:
Un cuerpo a la Un cuerpo a la misma misma temperaturatemperatura que sus que sus alrededores irradia y alrededores irradia y absorbe calor en las absorbe calor en las mismas cantidadesmismas cantidades..
R e T T 14
24 R e T T 1
424
Conceptos clave Conceptos clave
• Conducción Conducción • Conductividad Conductividad
térmica térmica • Convección Convección
natural natural • Convección Convección
forzada forzada • Coeficiente de Coeficiente de
convecciónconvección• Radiación Radiación
térmicatérmica
• Cuerpo negro Cuerpo negro • Emisividad Emisividad
• Ley de Stefan-Ley de Stefan-BoltzmannBoltzmann
• Constante de Constante de Stefan Stefan
• Ley de Prevost Ley de Prevost
Resumen de ecuacionesResumen de ecuaciones
kQL
A t
k
QL
A t
RL
kR
L
k
Q A t
R ii
Q A t
R ii
HQ
hA t
HQ
hA t
RP
Ae T 4R
P
Ae T 4
R e T T 14
24 R e T T 1
424
Propiedades térmicas de la materiaPropiedades térmicas de la materia
Capítulo 19Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Capítulo 19Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Gases ideales y ley de BoyleGases ideales y ley de Boyle Ley de Gay-LussacLey de Gay-Lussac
Ley general de los gases Ley general de los gases Masa molecular y molMasa molecular y mol La ley del gas idealLa ley del gas ideal
Licuefacción de un gasLicuefacción de un gas VaporizaciónVaporización
Presión de vaporPresión de vapor Punto triplePunto triple HumedadHumedad
Gases ideales y ley de BoyleGases ideales y ley de Boyle
Ley de Boyle:Ley de Boyle:Siempre que la Siempre que la
masa y la masa y la temperatura de temperatura de una muestra de una muestra de
gas se mantengan gas se mantengan constantes, el constantes, el
volumen de dicho volumen de dicho gas es gas es
inversamente inversamente proporcional a su proporcional a su presión absoluta.presión absoluta.
P V P V1 1 2 2P V P V1 1 2 2 La temperatura y la masa son
constantes
La temperatura y la masa son
constantes
Cuando un gas se Cuando un gas se comprime comprime
a temperatura a temperatura constante, el constante, el
producto de producto de susu presión por su presión por su
volumen siempre volumen siempre es constantees constante. .
Ley de Charles:Ley de Charles:Mientras que la masa y Mientras que la masa y
la presión de la presión de un gas se mantengan un gas se mantengan
constantes, el volumen constantes, el volumen de dicho gas es de dicho gas es directamente directamente
proporcional a su proporcional a su temperatura absoluta.temperatura absoluta.
V
T
V
T1
1
2
2
V
T
V
T1
1
2
2
La masa y la presión son constantes
La masa y la presión son constantes
Ley de Gay-LussacLey de Gay-Lussac
Ley de Gay-Lussac:Ley de Gay-Lussac:Si el volumen de una Si el volumen de una
muestra de muestra de gas permanece gas permanece
constante, la presión constante, la presión de dicho gas es de dicho gas es directamente directamente
proporcional a su proporcional a su temperatura absoluta. temperatura absoluta.
P
T
P
T1
1
2
2
P
T
P
T1
1
2
2
Con la masa
constante
Con la masa
constante
Ley general de los gasesLey general de los gases
P V
T
P V
T1 1
1
2 2
2
P V
T
P V
T1 1
1
2 2
2
La masa permanece constante
La masa permanece constante
P V
m T
P V
m T1 1
1 1
2 2
2 2
P V
m T
P V
m T1 1
1 1
2 2
2 2
P1, V1, T1, m1 = presión, volumen,
temperatura y masa en el estado inicial.
P2, V2, T2, m2 = presión, volumen, temperatura y masa en el estado final.
P1, V1, T1, m1 = presión, volumen, temperatura y masa en el estado inicial.
P2, V2, T2, m2 = presión, volumen, temperatura y masa en el estado final.
Masa molecular y molMasa molecular y mol
La La masa atómicamasa atómica de un elemento es de un elemento es la masa de un átomo la masa de un átomo
de dicho elemento comparada con la de dicho elemento comparada con la masa de un átomo de carbono masa de un átomo de carbono
tomado como 12 unidades de masa tomado como 12 unidades de masa atómica.atómica.
La La masa molecularmasa molecular M es la suma M es la suma de las masas atómicas de las masas atómicas
de todos los átomos que componen de todos los átomos que componen la molécula.la molécula.UnaUna mol mol es la masa es la masa
en gramos en gramos numéricamente igual numéricamente igual a la masa molecular a la masa molecular
de una sustancia.de una sustancia.
nm
Mn
m
M
N = número de moles
m = masa del gas
M = masa molecular del gas
N = número de moles
m = masa del gas
M = masa molecular del gas
La ley del gas ideal La ley del gas ideal
PV nRTPV nRTLey del gas Ley del gas
ideal:ideal: P = presión
V = volumen
n = número de moles
R = constante universal de
los gases (8.314 J/mol·K)
T = temperatura absoluta
P = presión
V = volumen
n = número de moles
R = constante universal de
los gases (8.314 J/mol·K)
T = temperatura absoluta
Liquefacción de un gasLiquefacción de un gas
La La temperatura críticatemperatura crítica de un de un gas es la temperatura por gas es la temperatura por
arriba de la cual el gas no se arriba de la cual el gas no se licuará, independientemente licuará, independientemente de la presión que se aplique.de la presión que se aplique.
VaporizaciónVaporización
Una Una molécula molécula
cerca cerca de la de la
superficie de superficie de un líquido un líquido
experimenta experimenta una fuerza una fuerza
hacia abajo. hacia abajo. Únicamente Únicamente
las las moléculas moléculas con más con más
energía energía son son capaces de capaces de
superar esta superar esta fuerza y fuerza y
abandonar el abandonar el líquidolíquido como como
vaporvapor..
Presión de vaporPresión de vapor
Agua
Vapor de agua
P
T
Curva de vaporización para agua
Punto crítico
Gas
La La presión de presión de vapor saturadovapor saturado
de una sustancia de una sustancia es la presión es la presión
adicional adicional ejercida por las ejercida por las
moléculas de moléculas de vapor sobre la vapor sobre la sustancia y sus sustancia y sus alrededores en alrededores en condiciones de condiciones de
saturación.saturación.
La La ebulliciónebullición se define como la se define como la vaporización dentro vaporización dentro
de un líquido cuando su presión de un líquido cuando su presión de vapor es igual de vapor es igual
a la presión en el líquido.a la presión en el líquido.
Punto triplePunto triple
REGIÓN DE LÍQUIDO
REGIÓN DE
SÓLIDOREGIÓN
DE VAPOR
Curva de
fusión
Curva de sublimación
Curva de vaporización
Punto crítico
Diagrama de fases del punto triple
Una Una curva de curva de sublimaciónsublimación muestra las muestra las
temperaturas y temperaturas y presiones en las presiones en las
que un que un sólido sólido puede coexistir puede coexistir con su vaporcon su vapor..
HumedadHumedad
La La humedad absolutahumedad absoluta se define se define como la masa de agua como la masa de agua
por unidad de volumen de aire.por unidad de volumen de aire.La La humedad relativahumedad relativa es es la razón de la presión la razón de la presión
real de vapor del aire con real de vapor del aire con respecto a la presión de respecto a la presión de
vapor saturado a esa vapor saturado a esa temperatura.temperatura.
relative humidityactual vapor pressure
saturated vapor pressurerelative humidity
actual vapor pressure
saturated vapor pressure
Conceptos clave Conceptos clave
• Gas ideal Gas ideal • Ley de Ley de
BoyleBoyle• Ley de Ley de
CharlesCharles• Masa Masa atómicaatómica• molmol
• EvaporaciEvaporaciónón
• EbulliciónEbullición• SublimaciSublimaci
ónón• SaturacióSaturació
nn
• Masa Masa molecular molecular
• Número de Número de AvogadroAvogadro
• Ley de los gases Ley de los gases ideales ideales
• Temperatura Temperatura crítica crítica
• Presión de Presión de vaporvapor
• Punto triplePunto triple• Humedad Humedad
absoluta absoluta • Humedad Humedad
relativarelativa• Punto de rocíoPunto de rocío
Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones
P V P V1 1 2 2P V P V1 1 2 2
V
T
V
T1
1
2
2
V
T
V
T1
1
2
2
P
T
P
T1
1
2
2
P
T
P
T1
1
2
2
P V
T
P V
T1 1
1
2 2
2
P V
T
P V
T1 1
1
2 2
2
P V
m T
P V
m T1 1
1 1
2 2
2 2
P V
m T
P V
m T1 1
1 1
2 2
2 2
nm
Mn
m
M
PV nRTPV nRT
TermodinámicaTermodinámica
Capítulo 20Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Capítulo 20Física Sexta edición
Paul E. Tippens
Calor y trabajoCalor y trabajo Función de la Función de la energía internaenergía interna
Primera ley de la Primera ley de la termodinámicatermodinámica
El diagrama El diagrama P-VP-V Caso general para Caso general para
la la primera leyprimera ley Procesos Procesos adiabáticosadiabáticos Procesos Procesos isocóricosisocóricos
Procesos Procesos isotérmicosisotérmicos
Segunda ley de la Segunda ley de la termodinámicatermodinámica
Ciclo de CarnotCiclo de Carnot La eficiencia de La eficiencia de
una máquina una máquina idealideal
Máquinas de Máquinas de combustión combustión
internainterna RefrigeraciónRefrigeración
Calor y trabajoCalor y trabajo
Se incrementa la Se incrementa la energíaenergía interna interna
de un sistema cuando de un sistema cuando realiza un realiza un trabajotrabajo.
Se incrementa la Se incrementa la energíaenergía interna interna de de
un sistema al un sistema al proporcionarle proporcionarle calorcalor al sistema. al sistema.
Función de la energía internaFunción de la energía interna
Un sistema se encuentra en Un sistema se encuentra en equilibrio equilibrio termodinámicotermodinámico si no si no
hay una fuerza resultante que actúe hay una fuerza resultante que actúe sobre el sistema y si la temperatrua sobre el sistema y si la temperatrua del sistema es la misma que la de sus del sistema es la misma que la de sus
alrededores.alrededores. U Q W U Q W U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
Función de la Función de la energía interna, energía interna,
U:U:
Primera ley de la termodinámicaPrimera ley de la termodinámica
Q W U Q W U Q = calor neto absorbido por el
sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
La energía La energía no puede crearse o no puede crearse o destruirse destruirse sólo transformarse sólo transformarse
de una forma a otrade una forma a otra.En cualquier proceso termodinámico, En cualquier proceso termodinámico, el el calor neto absorbidocalor neto absorbido por un sistema por un sistema
es igual a la suma del equivalente es igual a la suma del equivalente térmico del térmico del trabajo realizadotrabajo realizado por el por el
sistema y el cambio de sistema y el cambio de energía internaenergía interna del mismo.del mismo.
El diagrama P-VEl diagrama P-V
Cuando un Cuando un proceso proceso termodinámicotermodinámico
implica cambios en implica cambios en el volumen y/o en la el volumen y/o en la
presión, presión, el trabajo realizado el trabajo realizado
por el sistema es por el sistema es igual al área bajo la igual al área bajo la
curva en un curva en un diagrama P-V.diagrama P-V.
P
V
P1
P2
V1V2
Diagrama P-V
W P V W P V
Área bajo la
curva P-V
Área bajo la
curva P-V
Caso general para la primera leyCaso general para la primera ley
Primera ley:Primera ley: Q W U Q W U
En el En el caso más generalcaso más general, de , de algún modo las algún modo las tres cantidadestres cantidades están involucradas en cambios.están involucradas en cambios.
En En casos especialescasos especiales, sólo , sólo una o dos una o dos
de las cantidades de las cantidades involucran cambios.involucran cambios.
Procesos adiabáticosProcesos adiabáticos
Un Un proceso adiabáticoproceso adiabático es aquel en el es aquel en el que no hay que no hay intercambio intercambio
de energía térmicade energía térmica QQ entre un entre un sistema y sus alrededores.sistema y sus alrededores.De la primera ley: Q = W + U
Si Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = W + UPor lo tanto, W = -U
De la primera ley: Q = W + USi Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = W + U
Por lo tanto, W = -U
W = -U
W = -U
Procesos isocóricosProcesos isocóricos
Un Un proceso isocóricoproceso isocórico es aquel en el es aquel en el que el volumen del sistema que el volumen del sistema
permanece constante.permanece constante.De la primera ley: Q = W + U
Si W = 0 (proceso isocórico) entonces Q = + UPor lo tanto, Q = U
De la primera ley: Q = W + USi W = 0 (proceso isocórico) entonces Q = + U
Por lo tanto, Q = U
Q = U
Q = U
Procesos isotérmicosProcesos isotérmicos
Un Un proceso isotérmicoproceso isotérmico es aquel en el es aquel en el que la temperatura del sistema que la temperatura del sistema
permanece constante.permanece constante.De la primera ley: Q = W + U
Si U = 0 (proceso isotérmico) entonces Q = W +
Por lo tanto, Q = W
De la primera ley: Q = W + USi U = 0 (proceso isotérmico) entonces Q = W +
Por lo tanto, Q = W
Q = W
Q = W
Segunda ley de la termodinámicaSegunda ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámicaSegunda ley de la termodinámica
Es imposibble constriuir una Es imposibble constriuir una máquina que, funcionando de máquina que, funcionando de
manera continua, no produzca otro manera continua, no produzca otro efecto que la extracción efecto que la extracción
de calor de una fuente y la realización de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de de una cantidad equivalente de
trabajo.trabajo.
Woutput Q Qin outWoutput Q Qin out E
Q Q
Qin out
in
E
Q Q
Qin out
in
Woutput = trabajo de salidaQin = calor de entradaQout = calor de salida
Woutput = trabajo de salidaQin = calor de entradaQout = calor de salida
E = eficienciaQin = calor de entradaQout = calor de salida
E = eficienciaQin = calor de entradaQout = calor de salida
Ciclo de CarnotCiclo de Carnot
La La máquina demáquina de Carnot Carnot tiene la tiene la máxima eficiencia posible tratándose máxima eficiencia posible tratándose de una máquina que absorbe calor de de una máquina que absorbe calor de
una fuente una fuente a alta temperatura, realiza trabajo a alta temperatura, realiza trabajo
externo y deposita calor externo y deposita calor en un recipiente a baja temperatura.en un recipiente a baja temperatura.
Ciclo de Carnot:Ciclo de Carnot:A-BA-B expansión expansión
isotérmicaisotérmica
B-CB-C expansión expansión adiabáticaadiabática
C-DC-D compresión compresión isotérmicaisotérmica
D-ED-E compresión compresión adiabáticaadiabática
P
V
AB
CD
La eficiencia de una máquina idealLa eficiencia de una máquina ideal
UnaUna máquina ideal máquina ideal es aquella es aquella que tiene la más alta eficiencia que tiene la más alta eficiencia
posible para los límites de posible para los límites de temperatura dentro de los cuales temperatura dentro de los cuales
opera. opera. E
T T
Tin out
in
E
T T
Tin out
in
Mientras mayor sea Mientras mayor sea
la la diferencia de diferencia de temperaturatemperatura entre entre los dos recipientes, los dos recipientes,
mayor será la mayor será la eficienciaeficiencia de la de la
máquina.máquina.
Máquinas de combustión internaMáquinas de combustión interna
Carrera de trabajo
V
P
V2 V1
Carrera de compresión
Carrera Carrera de de
admisiónadmisión
Carrera Carrera de de
compresióncompresión
Carrera Carrera de de
trabajotrabajo
Carrera Carrera de de
expulsiónexpulsión
RefrigeraciónRefrigeración
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
= coeficiente de rendimiento = coeficiente de rendimiento
Conceptos clave Conceptos clave
• TermodináTermodinámica mica
• Diagrama Diagrama P-VP-V
• Proceso Proceso adiabáticoadiabático• Proceso Proceso
isocóricoisocórico• Máquina Máquina
térmicatérmica• RefrigeraciRefrigeraci
ón ón • RefrigeranRefrigeran
te te • Compresor Compresor • CondensadCondensad
or or • EvaporadoEvaporado
r r
• Función de Función de energía internaenergía interna
• Primera ley de la Primera ley de la termodinámicatermodinámica• Proceso de Proceso de estrangulaciónestrangulación
• Proceso Proceso isotérmico isotérmico
• Segunda ley de la Segunda ley de la termodinámicatermodinámica
• Eficiencia térmica Eficiencia térmica • Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot
• Eficiencia de Eficiencia de Carnot Carnot
• Coeficiente de Coeficiente de rendimientorendimiento
Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones
U Q W U Q W
W = -U
W = -UQ = U
Q = UQ = W
Q = W
Woutput Q Qin outWoutput Q Qin out
EQ Q
Qin out
in
E
Q Q
Qin out
in
ET T
Tin out
in
E
T T
Tin out
in
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
Q W U Q W U
