Tema 8: Temperatura y Principio CeroGITI)_Fatima/Apuntes/10-11/termo1.pdfPara su calibración:Para su calibración: 1) Se establece la escala termométrica: se eligen dos puntos o

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



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



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



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)



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.




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




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.




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.




Otros ejemplos

Termómetro de gas a volumen constante

Termómetro de placa bimetálica

Termómetro de mercurio

Termopila, termómetro de resistencia



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.


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.




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).




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



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:


tF =9

5tC + 32

oF

∆tF =9

5∆tC




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)




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




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:



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




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



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



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



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:



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



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.




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)




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.




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:




Obsérvese que

¿Por qué?

3β α=




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.



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

Documents

Tema 8: Temperatura y Principio CeroGITI)_Fatima/Apuntes/10-11/termo1.pdfPara su calibración:Para su calibración: 1) Se establece la escala termométrica: se eligen dos puntos o