LEY CERO DE LA TERMODINAMICA

ley cero de la termodinamica 

la temperatura es una propiedad que tiene cualquier sistema termodinámico y existirá equilibrio térmico entre 2 sistemas cualesquiera si su temperatura es la misma 

primera ley de la termodinamica

la variación en la energia interna de un sistema es igual a la energia transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo por lo que la energia no se crea ni se destruye solo se transforma 

AU= variacion de la energia interna del sistema en cal o j 

Q= calor que entra o sale del sistema en cal o j 

W= trabajo efectuado o realizado por el sistema en cal o j

AU= Q - W 

ENERGIA CINETICA 

E.C= 1/2 * m * v2 

calcular en joules la energia cinetica que tiene una bala de 8 gramos si su velocidad es de 700 km/h

DATOS

M= 8 gr --> 0.008 kg                                          EC= (0.5)(0.45kg)(36.11m/s)2

V= 700 km/h = 700 000/ 3600 = 194.44 m/s      EC= (0.0225)(36.11m/s)2

EC= ?                                                                 EC=(0.0225 )(1303.9321)

                                                                             EC= 29.33 kg* m2/s2

                                                                                EC= 29.33 joules

energia potencial gravitacional

EPG= p*h

P= m * g
g= 9.8 m/g2

calcular la energia potencial gravitacional de una piedra de 785 gr que cae de una altura de 6.5 m 

DATOS

m= 785 gr                               EPG= (7.69 kg m/s2)(6.5)

h= 6.5                                     EPG= 50 kg * m2/s2

EPG= ?

P= 7.64 kg m/s2

energia interna

energia interna 

kinect energy = 1/2 mv2 

la energía cinética es la energia del movimiento. la energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia del movimiento.

al suministrar calor a un sistema se provoca un aumento en la energía de agitación 

AU= variacion de la energia interna expresada en joule 

UF= energia interna final en joule

U1= energia interna inicial en joule 

AU = UF- U1 

1 cal = 4.2 joule

1 joule= 0.24 cal

TERMODINAMICA

termodinámica

Es la rama de la física que encarga del estado de la transformación del calor en trabajo 

sistema termodinámico

es alguna porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un limite con el propósito de estudiarlo 

sistema abierto

puedes meter mas materia y mas energia como cuando te acabas tu cafe en vaso abierto lo puedes rellenar y calentar

ley de gay-lussac

ley de gay-lussac

A un volumen constante y para una masa determinada de un gas, la presión absoluta que recibe el gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Si el volumen de un gas permanece constante (proceso isocoro) para una cierta masa de un gas , su presión absoluta varia directamente proporcional a la temperatura 

formula de gay-lussac

P1/T1 = P2/T2

P1=  P2 * T1 / T2 

T1= T2 * P1 / P2 

P2= P1 * T2 / T1 

T2= P2 * T1 / P1 

ejemplo

un balon de futbol recibe una presion de 7.8 ATM  con una temperatura de 19°C .Si el balon incrementa su temperatura a 25°C cual sera su presion absoluta 

DATOS

P1=7.8 ATMS                                                P2= P1* T2 / T1 

T1= 19°C -----> 292 °K                                P2= 7.8 * 298 / 292

P2= ?                                                              P2= 7.96 ATM

T2= 25 °C ---> 298 °K

LEY DE CHARLES

ley de charles

a una presión constante y pura una masa dada de un gas, el volumen del gas varia de manera directamente proporcional a su temperatura absoluta 

para cierta masa gaseosa si la presión es constante ( proceso isobárico ) entonces su volumen varia en forma directamente proporcional a la temperatura 

por lo tanto una muestra de gas se expande cuando se calienta 

a una temperatura de 0 °K es decir en el cero absoluto de temperatura y equivalente a -273°C

formula de ley de charles

V1 / T1 = V2 / T2 

V1= V2 * T1 / T2 

T1= T2 * V1 / T2 

V2= V1 * T2 / T2 

T2= V2 * T1 / V1 

ley de boyle

ley de boyle 

el ingles robert boyle, es considerado el padre de la química moderna. Fue el iniciador de las investigaciones respecto a los volúmenes de un gas.

a una temperatura constante y para una masa dada de un gas el volumen del gas varia de manera inversamente proporcional a la presión absoluta que recibe 

P1V1 = P2V2                                       

P1= P2 * V2 / V1                                 

V1= P2 * V2 / P1                                  

P2= P1 * V1 / V2                                  

 

V2= P1 * V1 / P2       

volumen

cm3
m3
dm3
ml
lts

presion

1 ATM = 760 mm de hg

ejemplo

un gas ocupa un volumen de 200 cm3 a una presión de 560 mm de mercurio con una temperatura de 20 grados centigrados ¿cual sera su volumen si la presión aumenta a 1000 mm de mercurio?
DATOS
V1= 200 cm3                                      V2= 560 mm de hg * 200 cm3 / 1000 mm de hg
P1= 560 mm de mercurio                    V2= 112.000 mm de hg / 1000
T1= 20°C                                            V2= 112 cm3
P2= 1000 mm de hg
V2= ?                          

       

los gases y sus leyes

gases

un gas se caracteriza por que sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

son fluidos como los líquidos pero se diferencian por ser sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.

de acuerdo con la teoría cinética molecular, los gases están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante movimiento.

gas ideal

un gas ideal es un gas hipotético que posibilita hacer consideraciones practicas que facilitan algunos cálculos matemáticos.

La energía solar

Capacidad calorífica
                                    C= AQ
                                         AT

C= Capacidad calorífica (cal/°C, kcal/°C, J/°C, BTU/°F)
Q= Cantidad de calor (cal, kcal, joule, BTU)
T= diferencia de temperatura (°C,°F,°K)


Calor Específico
El calor específico es la cantidad de calor que necesita un gramo de una sutancia para elevar su temperatura un grado centígrado.


                           Ce= c/m ------ C= AQ/AT    
                                                (Capacidad calorífica)

                           Ce= AQ/(m)(tf-to) -------- AQ= (m)(ce)(tf-to)
                           (calor específico)            (cantidad de calor)


CALOR ESPECÍFICO DE LAS SUSTANCIAS

Sustancia                       Ce(cal/°c)
Agua                              1.00

Hielo                              0.50

Vapor                             0.48

Hierro                            0.113

Cobre                            0.093

Aluminio                        0.217

Plata                              0.056

Vidrio                            0.199

Mercurio                        0.033

Plomo                            0.031

Aire                                0.337


Ejemplo: (calor especifico)
AQ= 12,000 cal                ce= 12,000/(3000)(43.43-25)
m=3kg -- 3000 gr             ce=12,000/(3000)(18.43)
to=25°C                           ce=12,000/55,290
tf=43.43°C                       ce=0.217 (ALUMINIO)

Ejemplo: (cantidad de calor)
M=700gr                         AQ= (700)(0.031)(8.22-3.61)
ce=0.031(plomo)             AQ= (700)(0.031)(4.61)
to=97°F---3.61°C            AQ= (700)(0.14291)
tf=180°F---8.22°C           AQ= 100.037

El calor latente de fusión.
El calor latente de fusión de una sustancia es la cantidad de calor que requiere esta para cambiar un gramo de sólido a un gramo de líquido sin variar su temperatura.

                                        Tf= Q/M       ***        Q=(M)(Tf)

Tf= calor latente de fusion (cal,gr)
Q= Calor suministrado (cal)
M= masa de la sustancia (gr)

CALOR LATENTE DE FUSION POR SUSTANCIA
Sustancia               cal/gr
Agua                      80

Hierro                    6

Cobre                     42

Plata                       21

Platino                    27

Oro                        16

Mercurio                2.8

Plomo                    5.9

Calor latente de vaporización
El calor latente de vaporización de una sustancia es la cantidad de calor que esta requiere para cambiar un gramo líquido en un gramo de vapor, manteniendo constante su temperatura.

                                         Tv= Q/M  ***    Q=(M)(Tv)

Tv= calor latente de vaporización (cal/gr)
Q= calor suministrado (cal)
M= masa de la sustancia (gr)

CALOR LATENTE DE VAPORIZACION POR SUSTANCIA
Sustancia             cal/gr
Agua                    540

Nitrogeno              48

Helio                     6

Aire                       51

Mercurio                65

Alc. Etílico              204

Bromo                    44

Ejemplo (para ambos temas)
Calcular la cantidad de calor que se requiere para cambiar 100gr de hielo a -15°C 2 en agua a 0 °C
M=100gr                           AQ=(M)(ce)(tf-to)
Ce (hielo)= 0.50                 AQ= (100)(0.50)(0- (-15))
to= 15°C                           AQ= (100)(7.5)
tf=0°C                              AQ=750 cal
                                        AQ= (M)(Tf)
                                          Q=(100)(80)
                                          Q=8000cal
                                          Q1+Q2= 8750 cal
 

Dilatación

La dilatación es el ensanchamiento, alargamiento o aumento de tamaño de alguna cuestión o cosa. En los sólidos, la dilatación va en 3 dimensiones, largo, ancho y alto. Con calor se dilata y con frío se contrae, a esto se le llama dilatación térmica.
En los gases y líquidos, las partículas chocan unas con otras en forma continua; pero si se calientan chocarán violentamente y provocarán la dilatación. En los sólidos las particulas vibran alrededor de posiciones fijas.

                                                  Lf= Lo [ 1 + α (tf + to)]  (formula para conocer la longitud final)

Lf= Longitud final (mts)
Lo= Longitud inicial (mts)
Tf= Temp. Final (°C)
To= Temp. Inicial (°C)

α= Coeficiente de dilatación lineal (1/°C)

                                                     α= Lf - Lo 

                                                         Lo (tf-to)        (formula para saber la sustancia)

Sustancia                                          a (1/°C)

Hierro                                               11.7x10-6

Aluminio                                           22.4x10-6

Cobre                                               16.7x10-6

Plata                                                 18.3x10-6

Plomo                                               27.3x10-6

Niquel                                               12.5x10-6

Acero                                                11.5x10-6

Zinc                                                   35.4x10-6

Vidrio                                                7.3x10-6

Oro                                                   1.5x10-6

Hormigón                                           2x10-6

Grafito                                                0.79x10-6

Cuarzo                                               0.04x10-6

Ejemplo:

Un puente de acero de 100mts de largo con una temperatura de 11°C aumenta hasta 45°C ¿Cuál será su longitud final?

Datos:

To= 11°C                         Lf= 100 [1 + 11.5x10-6 (45-11)]

Lo= 100mts                      Lf= 100 [1 + 11.5x10-6 (34)]

Tf= 45°C                          Lf= 100 [3.91x10-4)

α= 11.5x10-6                   Lf= 100.03 mts



Dilatación de área.
                                               Af= Ao [1+ Y (tf-to)] (formula para obtener el area final)
Af= Area final (m2)
Ao= Area Inicial (m2)
Tf= Temperatura Final (°C)
To= Temperatura Inicial (°C)
Y= Coeficiente de dilatación de área.


                                                   Y=Af- Ao 
                                                        Ao (tf-to)   (Formula para saber la sustancia)          


COEFICIENTES DE DILATACION DE AREA

Hierro              23.4x10-6

Aluminio           44.8x10-6

Cobre              33.4x10-6

Plata                36.6x10-6

Plomo              54.6x10-6

Niquel              25x10-6

Acero               23x10-6

Zinc                  70.8x10-6

Vidrio               14.6x10-6

Oro                  3x10-6

Ejemplo:
A una temperatura de 13°C una placa de zinc tiene un area de 1.5m2 ¿Cuál será el área final al aumentar su temperatura 32°C?

To= 13°C              Af= 1.5[1+70.8x10-6(45-13)]
Ao= 1.5m2            Af= 1.5[1+70.8x10-6(32)]
Y= 70.8x10-6        Af= 1.5[1+2.26x10-3]
tf=45°C                Af= 1.5[1.0022656]
                            Af= 1.5033984 m2

Dilatación cúbica

                                            Vf= Vo[1+B(tf-to)]   (formula para conocer el volumen final)

Vo= volumen final (m3)
Tf= Temperatura final en °C
To= Tempertura inicial en °C
B= Coeficiente de dilatación

COEFICIENTES DE DILATACIÓN CÚBICA
Hierro                 35.1x10-6

Aluminio             67.2x10-6

Cobre                 50.1x10-6

Acero                 34.5x10-6

Vidrio                 21.9x10-6

Mercurio             182x10-6

Gicerina              485x10-6

Alcohol Etílico     746x10-6

Petróleo               895x10-6

Temperatura de la radiacion

R= Rapidez de radiacion

e=1

6= 5.67x10-8

 

Ejemplo:

Calcular la temperatura de un cuerpo si su rapidez de radiacioón es de 800 w/m2

Rapidez de Radiacion

La rapidez de radiación se define como la energía radiante que emite un cuerpo por unidad de tiempo y por unidad de area expresado matemáticamente.


R= e . 6 . T4

Donde:


e= Const. de emisividad (1)
6= sigma, const. de stefan 5.67x 10-8  w/m2.k4)
t= temp. en °K

Ejemplo:
Calcular la rapidez de radiacion de un cuerpo que se encuentra a 150°C


Datos:
R= ?                                       R= (1)(5.67x10-8)(423)4
                                               R= (1)(5.67x10-8)(3.20x10₁₀)

T= 150°C (423°K)                R= (1)(1814.4)
                                               R= 1814.4 w/m2
e=1

6=3.67x10-8 w/m2.k4

Formas de propagación del calor

El calor.
Conduccion:
Transmision de calor atraves de un sólido en contacto directo con otro solido.
Convección:
Transmisión de calor en un fluido por movimiento de capas desigualmente calientes

Ley de Stefan.

P= 6 . e . A . T4


6=Sigma (const. de stefan 5.67 x 100-8 w/m2.k4)
P= Potencia radiada en watts
e= const. de emisividad (1)
A= area del cuerpo
T= temp. en °K


Ejemplo:

¿Cual es la potencia radiada por un cuerpo a 250°C con un are de 50cm2?


Datos:
P= ?                                  P=(5.67x10-8)(1)(0.50)(523₄)

T=  250°C = 523°K                      P= (5.67x10-8)(1)(0.50)(7.48x10₁₀)

A= 50cm2=0.50m2                   P= (5.67x10-8)(1)(3.74x10₁₀)

e=1                                                      P= (5.67x10-8)(3.74x10₁₀)


6=5.67x10-8 w/m2.k4            P= 2121.10 w