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Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
1/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
Fátima Masot Conde
Ing. Industrial 2010/11
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Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
2/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
1. Introducción.2. Temperatura y Ley Cero.3. Termómetros y escalas.4. Termómetro de gas a volumen constante.5. Escala Kelvin.6. Dilatación térmica de sólidos y líquidos.
Índice:
Tema 8: Temperatura y Principio Cero
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Fátima Masot Conde Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla
3/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Introducción
¿Qué es la temperatura?
Tenemos la sensación intuitiva (a veces engañosa) de que algo está
“frío” o “caliente”
Tenemos la sensación intuitiva (a veces engañosa) de que algo está
“frío” o “caliente”
Ejemplo: Nos parece que la alfombra está más caliente que el suelo. ¿Por qué?
Ejemplo: Nos parece que la alfombra está más caliente que el suelo. ¿Por qué?
Necesitamos algo más objetivoNecesitamos algo más objetivo
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Temperatura y Ley Cero
Este ingrediente "objetivo" lo sacamos de una observación común:Este ingrediente "objetivo" lo sacamos de una observación común:
Dos objetos a distintas temperaturas puestos en contacto alcanzan una temperatura intermedia común.Dos objetos a distintas temperaturas puestos en contacto alcanzan una temperatura intermedia común.
•Los objetos en contacto térmico intercambian energía (uno la pierde, otro la gana)
•Y se alcanza el equilibrio térmico (llegan a la misma temperatura)
•Los objetos en contacto térmico intercambian energía (uno la pierde, otro la gana)
•Y se alcanza el equilibrio térmico (llegan a la misma temperatura)
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5/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Hemos hablado de temperatura, y aún no la hemos definido (concepto escurridizo, al que llegamos por comparación).
Hemos hablado de temperatura, y aún no la hemos definido (concepto escurridizo, al que llegamos por comparación).
Establecemos la temperatura de un objeto y a todos los que están en equilibrio térmico con él. Decimos que tienen la misma temperatura.
Establecemos la temperatura de un objeto y a todos los que están en equilibrio térmico con él. Decimos que tienen la misma temperatura.
La asignamos arbitrariamente
A ese objeto que nos ayuda a establecer/medir la temperatura de lo demás se le llama termómetro.A ese objeto que nos ayuda a establecer/medir la temperatura de lo demás se le llama termómetro.
Temperatura y Ley Cero
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6/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Equilibrio térmico
Equilibrio térmico
Ley CeroLey Cero
Situación a la que llegan los objetos en contacto térmico en la que dejan de intercambiar energía.Situación a la que llegan los objetos en contacto térmico en la que dejan de intercambiar energía.
Si dos objetos, A y B, por separado, están en equilibrio térmico con C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
Si dos objetos, A y B, por separado, están en equilibrio térmico con C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
A
C
B
Temperatura y Ley Cero
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Temperatura y Ley Cero
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8/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Podemos definir la temperatura como la propiedad que comparten todos los objetos
en equilibrio térmico
Podemos definir la temperatura como la propiedad que comparten todos los objetos
en equilibrio térmico
y redefinir el equilibrio térmicocomo el estado de igual
temperatura.
y redefinir el equilibrio térmicocomo el estado de igual
temperatura.
El termómetro es ese objeto que nos sirve de patrón comparador.El termómetro es ese objeto que nos sirve de patrón comparador.
Temperatura y Ley Cero
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Termómetros y escalas
La temperatura no es un color que se pueda observar, o un volumen que se pueda medir, ¿Cómo establecemos ese
patrón comparador?¿Cómo establecemos ese patrón comparador?
Se utilizan propiedades físicas que cambian de forma conocida con la temperatura (propiedad termométrica)
El ejemplo más corriente es el termómetro de mercurio. La propiedad que se utiliza es la dilatación del mercurio. El mercurio encerrado en una columna de sección conocida se dilata y su longitud se utiliza para medir la temperatura.
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Termómetros y escalas
Otros ejemplos
Termómetro de gas a volumen constante
Termómetro de placa bimetálica
Termómetro de mercurio
Termopila, termómetro de resistencia
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11/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Para su calibración:Para su calibración:
1) Se establece la escala termométrica: se eligen dos puntos o entornos de temperatura constante (p.e. fusión hielo, vaporización de agua), y se les asignan arbitrariamente las temperaturas superior e inferior de la escala.
Termómetros y escalas
2) Se pone en contacto térmico el termómetro con ambos entornos. La propiedad utilizada (en este caso, la longitud de la columna) variará, marcando los dos extremos físicos de la escala.
2) Se pone en contacto térmico el termómetro con ambos entornos. La propiedad utilizada (en este caso, la longitud de la columna) variará, marcando los dos extremos físicos de la escala.
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Termómetros y escalas
Por ejemplo: la escala Celsius asigna:
T = 0 oC
T = 100 oC
al punto de hielo o congelación normal del agua.
al punto de vapor o de ebullición normal del agua.
Asignación arbitraria de valores de temperatura
Entornos de temperatura constante.
Con esa elección, está claro que el grado centígrado es la centésima parte de la escala (propiedad lineal).Con esa elección, está claro que el grado centígrado es la centésima parte de la escala (propiedad lineal).
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13/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetros y escalas
3) se traza una "curva de calibración", para obtener (por interpolación o extrapolación) la temperatura de los estados intermedios.
tC ( oC)0 100
L
0
100 0
100otCL Lt
L L−
= ×−
L0
L100
tC
Lt
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14/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
La escala Fahrenheit:
tF = 32 oF
tF = 212 oF
punto de hielo o de congelación del agua.
punto de vapor o de ebullición del agua.
Asignación arbitraria de valores de temperatura
Entornos de temperatura constante iguales que en Celsius.
Relación entre ambas:
Termómetros y escalas
tF =9
5tC + 32
oF
∆tF =9
5∆tC
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15/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Las escalas obtenidas con los termómetros de líquidos (Hg), dependen del líquido.Las escalas obtenidas con los termómetros de líquidos (Hg), dependen del líquido.
No definen la temperatura de forma absolutaNo definen la temperatura de forma absoluta
Los termómetros de gas, en cambio, proporcionan una lectura prácticamente independiente del gas.Los termómetros de gas, en cambio, proporcionan una lectura prácticamente independiente del gas.
Por ejemplo, el termómetro de gas a volumen constante (figs. a, b)Por ejemplo, el termómetro de gas a volumen constante (figs. a, b)
Contenedor de gas a volumen constante
a)
b)
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16/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Funcionamiento:• El volumen del gas siempre es el mismo
• La propiedad termométrica utilizada:
Aquí, la presión se lee directamente
En esta versión, cuando el contenedor de gas se introduce en un entorno caliente, el gas se expande empujando al mercurio por encima del nivel de cero. Para que su volumen permanezca constante a la hora de hacer la medida, se manipula el tubo de mercurio manualmente para reajustar el nivel. La presión del gas viene dada por la altura de la columna de mercurio, según la relación:
Nivel de cero
Mercurio
0P P ghρ= +
presión del gas
gas
Contenedor de gas a volumen constante
h
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17/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Termómetro de gas a volumen constante
Fig 16.4Serway
0 100
0
100 0
100otCP Pt
P P−
= ×−
tC ( oC)
P0
P100Pt
tC
• La medida de la temperatura viene dada en función de la presión.
Igual que el de mercurio: Se eligen dos entornos de temperaturas constantes (ebullición y congelación de agua) se le asignan dos temperaturas (0 y 100 en la escala Celsius), y se miden las presiones correspondientes.
Calibrado:
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18/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Resultado asombroso:
Fig 16.5Serway
En todos los casos, independientemente del gas utilizado, cuando la presión se extrapola a cero (densidad del gas casi nula) todas las curvas se cortan en la misma temperatura: -273.15 oC.
Dado que P=0 es la presión más baja posible (vacío perfecto),esa temperatura debe representar un límite inferior para todos los procesos físicos.
1)
Fig 16.4Serway
tC ( oC)
0o C 100oC
Esto sugiere que esta temperatura tiene un carácter universal, (no depende de la sustancia utilizada en el termómetro)
2)
Mismo experimento, pero realizado con gases distintos
Termómetro de gas a volumen constante
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19/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
se define como "cero absoluto"se define como "cero absoluto"
Sirve de base para la escala Kelvin (absoluta) de temperaturaSirve de base para la escala Kelvin (absoluta) de temperatura
T = 0 K tC = - 273.15 oC
En esta escala, no se ha definido el grado mediante un límite superior, sino por identificación directa con la Celsius:
Esa temperatura
Escala Kelvin
1K ≡ 1Cogrado de incremento
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Conversión:Conversión:
Única diferencia: Desplazamiento del cero entre ambas escalasÚnica diferencia: Desplazamiento del cero entre ambas escalas
El cero de la escala Celsius es arbitrario (elegido como congelación del agua)El cero de la escala Celsius es arbitrario (elegido como congelación del agua)
El cero de la escala Kelvin es absoluto (no depende de nada, es común para todas las sustancias)El cero de la escala Kelvin es absoluto (no depende de nada, es común para todas las sustancias)
Temp. Celsius Temp. absoluta o Kelvin
Escala Kelvin
tC = T—273.15
∆tC = ∆T
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21/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Elegidos por el Comité Internacional de Pesas y Medidas para definir la escala de Temperatura Absoluta
Puntos termométricos representativos
Punto de congelación del agua
Punto de ebullición del agua
Celsius Kelvin
0 oC
100 oC
0.01 oC
-273.15 oC
273.15 K
373.15 K
273.16 K
0 K
Punto triple del agua
Cero absoluto
(coexistencia de agua, vapor y hielo en equilibrio)
dificiles de reproducir en el laboratorio
Escala Kelvin
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22/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
0 Ttriple T (K)0
Ptriple
T
P
triple
triple
TT P
P=
Escala Kelvin
La recta de calibración de un termómetro de gas a vol. constante pasa por el punto (0,0), cero absoluto de temperatura y presión. La temperatura de cualquier otro punto se puede obtener, por simpleproporcionalidad, en función de otro punto de temperatura y presión conocidas, por ejemplo, el punto triple:
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23/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Con ello,
Grado kelvin= de la temperatura del punto triple
Fig 16.6Serway
El cero absoluto es inalcanzableEl cero absoluto es inalcanzable
Según Física Clásica Corrección Física Cuántica
EK|T=0 = 0 EK|T=0 6= 0
Energía del punto cero
Temperaturas de algunos procesos (escala logarítmica)
1
273.16
Escala Kelvin
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24/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Los materiales se dilatan al aumentar su temperatura (ésa es la propiedad que hemos utilizado para fabricar termómetros). Esto ocurre debido a que los átomos vibran con mayor amplitud y las distancias medias intermoleculares aumentan.
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25/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión linealExpansión lineal
Si tenemos una varilla de longitud Lo a una temperatura inicial To, que se somete a un cambio de temperatura ΔT, la longitud cambia en un ΔL:
0 L L TαΔ = Δ
Coef. de expansión lineal1 1 ó ( )oK C− −Unidades:*(aproximación lineal, para rangos de temperatura limitados)
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26/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Todas las dimensiones lineales cambian según la ecuación anterior: L puede ser el espesor de una varilla, la longitud de un lado de una lámina o el diámetro de un agujero.
Cuando un objeto sufre expansión térmica, los agujeros que contiene también se expanden.
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27/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Expansión volumétricaExpansión volumétrica
Es una consecuencia de la expansión lineal que sufren las dimensiones lineales. Si tenemos un cubo de lado L, cada lado se expande según la ecuación anterior, dando como resultado un aumento de volumen ΔV:
0 V V TβΔ = Δ
Coef. de expansión volumétrica1 o 1 ó (C )K − −Unidades:
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28/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Obsérvese que
¿Por qué?
3β α=
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29/30Tema 8: Temperatura y Ppio Cero
Dilatación térmica
Anomalía térmica del aguaAnomalía térmica del agua
El agua se expande cuando baja su temperatura en el rango de 4oC a 0oC.
Esta anomalía permite la conservación de la vida en los ambientes acuáticos.
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Bibliografía
•Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. RevertéSerway & Jewett, “Física”, Ed. Thomson (vol. II)•Halliday, Resnick & Walter, “Física”, Ed. Addison- Wesley.•Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed. Pearson Education (vol. II)•J. Aguilar, “Curso de Termodinámica” Ed. Alambra
•Çengel & Boles, “Termodinámica”, Ed. Prentice-Hall
Fotografías y Figuras, cortesía de
Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. RevertéSears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed. Pearson Education