Dilatacion térmica.

 Es el aumentode las dimensiones de un material ante el incremento de la temperatura.

Un incremento de la temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas ( y por lo tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada uno de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por dos átomos  enlazados, a 0ºK el sistema es estatico, no hay vibración termica térmica y los centros de los átomos se encuentran a una distancia determinada d0. Al aumentar la temperatura, los átomos vibran alrededor de posiciones de equilibrio, y por tanto, la distancia promedio entre los dos centros (d1) es mayor y el sistema dilata. En la figura, para simplificación se ha representado una vibración esférica alrededor del centro, por bien que en realidad no tiene esta forma. intuitivamente,es facil imaginar que a mayor temperatura, más amplia  es la vibración. y más grande la distancia entre los átomos, con el limite de estabilidad del sistema (transformación o fusión, en el caso de los cristale).

1) Se tienen dos barras metálicas homogéneas cuyos coeficientes de dilatación son 12.10^-6C^-1 y 24.10^-6C^-1. La barra de menor coeficiente de dilatación mide 2m de longitud a 20°C y la otra tiene 1cm más en esa misma temperatura. Determine la temperatura en la cual la diferencia entre sus longitudes será duplicada. ç

L1(t) = Lo1·(1 + α1·∆t)

L2(t) = Lo2·(1 + α2·∆t)

Lo1 = 2 m ; α1 = 12.10^-6 C^-1
Lo2 = 2,01 m ; α2 = 24.10^-6 C^-1

La difereancia de longitud a 20º es de 0,01 m. Nos pide a qué temperatura se duplica (0,02 m)

∆L = 0,02 = L2(t) - L1(t) = Lo2·(1 + α2·∆t) - Lo1·(1 + α1·∆t) = (Lo2 - Lo1) + ∆t·(Lo2·α2 - Lo1·α1) = 0,01 + ∆t·(2,01·24·10^-6 - 2·12·10^-6)

∆L = 0,01 + ∆t·24,24·10^-6 = 0,02

∆t = (0,02 - 0,01)/24,24·10^-6 = 0,01/24,24·10^-6 = 0,0004125·10^-6 = 412,5 º

∆t = tf - to = tf - 20º => tf = 412,5 + 20 = 432,5 ºC

Dilatacion lineal.

El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:

Donde ΔL, es el incremento de longitud cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura ΔT 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 [1/C°]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial .

T_f = Temperatura final

La conducción del calor.

Es el proceso a través del cual se transfiere calor desde un punto A de un cuerpo determinado hasta un punto B del mismo, o bien de un cuerpo a otro.

La conducción en una dirreción dada, es proporcional al área normal, a la direción del flujo de calor, al gradiante de temperatura en esa dirección.

Donde:

:Es la tasa de calor que atraviesa el área A en la dirreción X .


K: Es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica.
T: Es la temperatura.
t: El tiempo.

Existen tres formas en la que el calor puede transferirse:

1. Conducción térmica: Es el proceso que se produce por contacto témica entre dos cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico.

Ej. Cuchara metálica en la taza de té.

La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos y la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. esto explica porqué algunos cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor.

La conducción témica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor al gradiente de temperatura en esa dirección.

Donde:       
: Es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección X.

K: Es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica.

T: Es la temperatura.

t: Es el tiempo. 

      2. Convercción térmica: Sólo se produce en fluidos (liguidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regines que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio.

Ej. Los calefactores dentro de la casa.

La convercción siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre particulas de distinta temperatura en un liquido o gas en movimiento.

La transferencia de calor por convercción se expresa con la ley del Enfriamento de Newton:

Donde h es el coeficiente de convercción (ó coeficientede película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

     3. Radiacción térmica: es el proceso por el cual se transfiere a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiente y luego viceversa.

Ej. La Energia solar.

 Los cuerpos negros son los únicos que emiten radiación témica con el mismo espectro correspondientea su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de dencidad de probabilidad de la frecuencia de ondas emitidas está dada por la ley de Radiacción térmica de Planck, la ley de Wien de la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann  da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora.

http://www.youtube.com/watch?v=Gbl_iqCCtEw

La cantidad de calor y el Calor Específico.

Calor Especifíco. 

Cantidad de calor necesaria para  elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el sistema internacional de unidades, el calor especifíco se expresa en julios por kilogramos y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor especifíco del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado ºC.

El calor como una forma de energía

La energía térmica es la energía liberada en forma de calor, puede ser obtenida de la naturaleza, a través de un proceso químico,como por ejemplo la enegía térmica producida por el sol. como también se puede dar por efecto de joule o por efecto termoelectrico.

Como todos sabemos la energía no se pierde sino que se transforma, por eso este tipo de energía se puede trasnformar, mediante la utilización de un motor térmico, ya sea en energía eléctrica en una central de energía termoeléctrica o en trabajo mecánico, como un motor de automóvil, de avión o barco.

Medidas de Temperatura.

Escalas de temperatura.

En él año 1714, un fabricante de instrumentos holandésde nombre Daniel Fahrenheit, contruyó un termómetro de mercurio que indicada 32º para la temperatura de congelación del agua y 212º para la temepratura de ebullición, más tarde,en 1747, un astrónomo sueco de nombre Andrés Celsius diseño una nueva escala, llamada celsius en el cual 100º correspondia al punto de congelacion del agua y 0º al punto de ebullición. Al cabo de unos años esto fue invertidoy al punto de ebullición le fue asignado el valor de 100º. E stas  dos escalas sa llaman hoy en dia, fahrenheit y celsius respectivamente.

William thompson.

El aristócrata escocés William Thompson (1924-1907), conocido también  como barón kelvin, fue uno de los cientificos más eminentes del siglo XIX, y proyecto su influencia sobre un gran número de pensadores de su generación, en honor a el se le coloco Kelvin a la unidad d etemperatura.

Termometro.

El instrumento más común de medida de la temperaturaes el termómetro. El primero de estos instrumentos fue ideado un1603 por el científico Italiano Galileo Galilei, se basaba en el principio por el cual una columna de agua encerrada en un tubo se dilata al aumentar la temperatura y se contrae cuando ésta disminuye.

En los termómetros modernos se emplean columnas de mercurio, alcohol, u otros líquidos.

Escala Celsius.

Tambíen llamada centrigada, asigna el valor 0 a la temperaturade fusióndel agua y el valor 100 al punto de ebullión del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmófera). Entre estosa dos valores s dfine una escala dividida en cien tramos, cad uno de los cuales corresponde a un grado centigrado o Celsius.

Escala fahremheit.

En la función lineal de la temperatura con respecto a la longitud, es posible elegir los valores de referencia para m y b de otras muchas maneras. En la actualidad en los paises anglosajones aún sigue usándose la escala fahrenheit, establecida de manera que:

• Al punto de congelación del agua de presión normal(1 atmófera) se le asigna el valor de 32.
• Al punto de ebullición normal se le atribuye el valor 212.

Las relaciones que permiten pasar de un valor en escalas Celsius(Tc) y a la inevrsa (Tf) so las siquientes:

Escala absoluta.

El descubrimentode que la temperatura posse un valor minimo insuperable, estimado en -273,15 ºC, propició que, en el ámbito cientifico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperatura, la escala absoluta o Kelvin.

Esta escala elige como valor origen de temperaturael -273,15ºC, también llamado cero absoluto, de manera que la equivalencia entre la escala absoluta y la Celsius viene dada por la expresión siquiente:

Otras escalas.

Además delas tres escals de temperatura nás conocidad (absoluta o kelvis, Celsius, y fahrenheit). se han propuesto otras de utilidad en determinados campos de la ciencia y la técnica. Entre ellas, sobresalen la escala Rankine (ºR), preferida en ciertos ambiots de la ingeniería, que es una escala absolutacuya división en grados se basa el la Fahrenheity no en la Celsius, y la escala Réaumur (ºRe), donde el intervalose divide en 80 grados y el origense sitúa en el punto de congelación del agua.

Ej.

De grados Celsius a grados Kelvin. 
 k= ºC+273

convertir 50 ºC a ºK

K=50+273
K=323 ºK

De Kelvin a Celsius.
C=K-273
convertir 380 ºK a ºC

C=380-273=107 ºC

De Grados Celsius a fahrenheit.

F=(9 ºC+32)/5

convertir 60 ºC a grados ºF

F=(9*60 ºC+32)/5
F=140 ºF 
De grados Fahrenheit a Celsius

ºC= ºF-32/1.8

convertir 50 ºF a celsius
ºC=50-32/1.8
ºC=10 ºC

Equilibrio Térmico.

Se puede decir que dos cuerpos están en equilibrio térmico, cuando sus partículas no intercambian una cantidad neta de energía, siendo por consiquiente, igualan sus temperaturas. En este concepto se apoya la termodinámica para medir la temperatura del cuerpo.

Dos sistemas a diferentes temperaturas puestos en contacto terminanpor alcanzar una situacíon de equilibrio térmico.

http://www.youtube.com/watch?v=_tdNkAqo-8s&feature=related 

 

 

Descripciones macroscópica y miscróscipa.

La termodinámica proporciona una descripción mascroscópica de los sistemas que estudia, sin hacer hipótesis acerca de la estructura microscópica de esos sistemas. Sin embargo, exixten otras disciplinas, como la mecánica estadística,que estudian los mismos fenómenos que la tremodinámica, pero desde un enfoque microscopíco. 

En particular, el concepto de equilibrio térmico ésta ligado al concepto de temperatura al decir que dos sistemas en equilibrio termico tienen la misma temperatura. Desde un punto de vista microscópico, la temperatura ésta asociada a la energía cinética promedio que tienen las partículas que constituyen el sistema, a saber átomos, moléculas y/o la estructura electrónica de las sustancias que constituyen el sistema. Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un sistema es lo en la termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende casi exclusivamentede la temperatura del sistema. A mayor energía cinética promedio de las partículas que contituyen un sistema, mayor energía interna y, en general, mayor temperatura del sistema.

La situación de dos sistemas en contacto térmico se interpreta microscópicamente como que las partículas de la superficie de interfacede ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí. Básicamentese puede ver que, microscópicamnete, las partículas del sistema de mayor temperatura (que tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las partículas del otro sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos sistemas da lugar q que las partículas de los dos sistemas alcancen la misma energía promedio y. por lo tanto, la misma temperatura. Es decir, desde un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio termico entre dos sistemas que las partículas de los dos sistemas tengan la misma energía cinética promedio

Desde un punto de vista macroscópico,  se dice que los sistemas  en estado de equilibrio, bajo las condicones indicadas en la sección definición termodinámica del equilibrio térmico. 

Temperatura.

La temperatura es una propiedad fisica que se refiere a las nociones comunes de frío o calor, sin embargo su significado formal en termodinámica es más complejo, a menudo el calor o el frío percibido por las personas tiene más que ver con la sensación térmica, que con la temperatura real,.Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico, la cual tiene una causa a nivel microscópico, que es la energia promedio por particula.

La temperatura está intimamente relacionada con la enegía interna y con la entalpía de un sistema: a mayor temperatura mayor será la energía interna y la entalpia del sistema.

La temperatura es una propiedad intensiva, es decir que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedadque le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni edl materialdel que este compuesto.

En términos muy generales y aproximados, se puede decir que la temperatura es una magnitud proporcional a la energía cinética promedio que tienen las particulas, átomoso moléculas, que constituyen un cuerpo. Si todas las partículas de un cuerpo tuviesen la misma  enrgíade movimiento la temperatura sería proporcional a esa energía.cuando un cuerpo caliente entra en contacto con un cuerpo frío, se produce un intercambio de energía del cuerpo más caliente al más frío, debido a que las particulas del cuerpo caliente tienen más energía en promedio que las particulas del cuerpo frío.