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OBJETIVOS:

Interpretar correctamente las leyes y variables termodinámicas.

Reconocer los pasos dados por la humanidad en el desarrollo histórico de

la termodinámica.

Aplicar las leyes de la termodinámica en la solución de problemas.

Resolver problemas cualitativos y cuantitativos de la termodinámica.

UNIDADTERNODINAMICA

INTRODUCCION

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los

procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo

a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un

cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es

muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia

de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que

no se debe a una diferencia de temperatura.

INSTITUCION EDUCATIVA NUESTRA SEÑORA DEL PALMAR

Código: FR-17-GA

Versión : 002

Emisión: 12/09/2008

UNIDA. TERMODINAMICA

DECIMO

Actualización :

02/12/2010

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Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por

sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar.

El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como

su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado

no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede

entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en

cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible

establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura,

calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la

teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por

numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas

individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de

un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.

La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del

objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las

moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas.

Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de

igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna

respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos

depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene

cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura

hacia el objeto a menor temperatura.

3

CALOR Y TEMPERATURA

Realiza e investiga las siguientes

actividades en el cuaderno de física.

1. Haz una descripción del desarrollo

histórico de la termodinámica.

2. ¿Cuál es la diferencia entre calor

y temperatura?

3. ¿Cómo se transmite el calor?

4. ¿En qué consiste el equilibrio

térmico?

5. ¿Qué utilizamos para medir la

temperatura?

6. ¿Cuáles son los puntos de fusión y

de ebullición en las escalas:

Celsius o Centígrada, Fahrenheit

y absoluta o Kelvin?

7. Escribe las formulas y un ejemplo

de cómo hacer la conversión de

escalas de temperatura, así:

Conversión Celsius-

Fahrenheit.

Conversión Celsius- Kelvin.

8. En qué consiste la dilatación

térmica, para ello explica que es:

Dilatación Lineal, Dilatación

superficial, Dilatación cúbica.

9. ¿Qué es calor?

¿Cuáles son las unidades

de Calor?

¿Qué es capacidad

calórica?

¿Qué es Calor específico?

Analiza muy bien la

diferencia entre capacidad

calórica y calor específico.

10. ¿Qué es el calor latente?

4

11. ¿Cómo relacionamos el Trabajo y

el Calor?

12. ¿Cómo medimos el calor latente?

13. ¿En qué consiste la ley cero de la

termodinámica?

14. ¿En qué consiste la primera ley

de la termodinámica?

Importante definir,

graficar y entender en

qué consiste el proceso

adiabático, isobárico,

isotérmico y adiabático.

15. ¿En qué consiste la segunda ley

de la termodinámica?

Describe el ciclo de

Carnot.

16. Laboratorio “LA TERMODINAMICA APLICADA EN LA COCINA”

Con base en las definiciones anteriores y aplicándolas en la cotidianidad, en este caso en

la preparación de algún alimento, idearas un laboratorio donde explicaras varios de los

conceptos expuestos anteriormente.

5

ECUACIONES CALORIMETRÍA

Conversión unidades de temperatura

KtC

KT c º15.273

º

º1

FtC

Ft cf º32

º5

º9

Dilatación térmica

tLoL 1

Capacidad calórica:

Q = calor suministrado

t = variación de temperatura

Calor específico:

Cg

cal

tm

Qc

º

tcmQ

–calor perdido = calor ganado

gp QQ

C

cal

t

QC

º

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EJERCICIOS DE TERMODINAMICA

CONVERSION DE UNIDADES

1. El punto de ebullición del tungsteno es 5900 ºC. Expresa esta temperatura en

grados kelvin y Fahrenheit.

Kº15.273Cº5900Cº

Kº1Kº15.273t

Cº

Kº1T c

T = 6 173.15 ºK

FCC

FFt

C

Ft cf º32º5900

º5

º9º32

º5

º9

tf = 10 652 ºF

2. El punto de ebullición del O2 es –182.86 ºC. Expresa esta temperatura en grados

kelvin y Fahrenheit.

KCC

KKt

C

KT c º15.273º86.182

º

º1º15.273

º

º1

T = 90.29 ºK

tf = –297.15 ºF

DILATACION TERMICA

3. Una varilla de cobre tiene una longitud de 1.2 m a una temperatura ambiente de 18

ºC. ¿Cuál será su longitud a 84 ºC?

Cº66Cº10141m2.1t1LoL 16

L = 1.2011088 m

4. La longitud de un puente de hierro es 34 m a la temperatura ambiente de 18 ºC.

Calcular la diferencia entre sus longitudes en un día de invierno cuya temperatura

es –6 ºC y un día de verano cuya temperatura es 40 ºC.

FCC

FFt

C

Ft cf º32º86.182

º5

º9º32

º5

º9

7

11 t1LoL

22 t1LoL

12121212 ttLot1t1Lot1Lot1LoLL

2422101234ttLoL 612

mL 018768.0

5. Un frasco de vidrio cuyo volumen es 1 000 cm3 a 0 ºC se llena completamente de

mercurio a esta temperatura. Cuando frasco y mercurio se calientan a 100 ºC se

derraman 15.2 cm3 de líquido. Si el coeficiente de dilatación cúbica del mercurio

es 0.000182 ºC–1. Calcula el coeficiente de dilatación volumétrico del vidrio.

Para el mercurio:

36 cm6.054110010182310001t31VoV

Para el frasco:

3000001000100310001t31VoV

El volumen que se derrama es:

fcoHg VVV

00030010006.10542.15

00030010006.10542.15

2.1510006.1054000300

300000

4.39

4.9000300

14 Cº10313.1

6. Para medir un terreno que se halla a 30 ºC se utiliza una cinta de acero cuya

indicación correcta es a 0 ºC. ¿A qué error de medida de la longitud dará origen la

dilatación de la cinta? tLoLot1LoL

301012LotLoLoL 6

8

medidadeerror00036.0L

CALOR ESPECÍFICO

7. Hallar la capacidad de un cuerpo que cede 1080 cal, cuando su temperatura baja de

48 ºC a 16 ºC.

CC

cal

t

QC

º16º48

1080

8. Una lámina de estaño de 520 g se calienta pasando su temperatura de 16.5 ºC a

38.3 ºC. ¿Qué cantidad de calor se debió suministrar?

Cº5.16Cº3.38g520Cºg

cal055.0tcmQ

Q = 623.48 cal

9. Una bala de plomo de 64 g absorbe 380 cal por el rozamiento con un bloque de

madera donde penetra. ¿En cuánto aumentó la temperatura la bala?

g64Cºg

cal031.0

cal380

cm

QttcmQ

Ct º53.191

10. Un pedazo de plomo de 250 g se calienta a 112 ºC y se echa en 500 g de agua

inicialmente a 18 ºC. Despreciando la capacidad calórica del recipiente, ¿cuál es la

temperatura final del plomo y agua?

Plomo (1) Agua (2)

C

calC

º75.33

9

m1 = 250 g

t1 = 112 ºC

m2 = 500 g

t2 = 18 ºC

t= ?

–Qp = Qg

1500031.0250

181500112031.0250

cmcm

tcmtcmt

cmcmttcmtcm

tcmtcmtcmtcm

tcmtcmtcmtcm

ttcmttcm

tcmtcm

2211

222111

2211222111

2211222111

2222211111

222111

222111

t = 19.43 ºC

CALOR LATENTE

11. ¿Qué cantidad de calor se debe suministrar a 250 g de alcohol etílico para

convertirlo en vapor?

g

calgmLQ 204250

Q = 51 000 cal

12. ¿Qué cantidad de calor se desprende cuando 120 g de vapor de agua a 150 ºC se

enfrían y congelan produciendo 120 g de hielo a 0 ºC?

Q1 = mL = (120)(539) = –64 680 cal

cal18000Cº150Cº0g120Cºg

cal1tcmQ2

Q3 = mL = (120)(797) = –9 564 cal

Q = Q1 + Q2 + Q3 = –92 244 cal

10

13. Un trozo de hielo de 50 g se introducen en 500 g de agua a 20 ºC. ¿Cuál es la

temperatura final de equilibrio suponiendo que no hay intercambio de calor entre

el sistema y el ambiente?

Hielo (1) Agua (2)

m1 = 50 g

t1 = 0 ºC

t = ?

m2 = 500 g

t2 = 20 ºC

-Qp = Qg

1500550.050

2015000550.050

cmcm

tcmtcmt

cmcmttcmtcm

tcmtcmtcmtcm

tcmtcmtcmtcm

ttcmttcm

2211

222111

2211222111

2211222111

1111122222

111222

t = 18.96 ºC

14. Un cubo de hielo de 50 g de masa y a una temperatura de –10 ºC se deja caer

dentro de un vaso de agua a 0 ºC. Si no hay intercambio de calor con el exterior,

¿cuánta agua se solidifica sobre el hielo?

g

cal7.79

cal275

L

QmmLQ

cal275Cº10Cº0g50Cºg

cal55.0tcmQ

m = 3.45 g

11

15. Una caja de perdigones de plomo se lanza verticalmente al aire hasta una altura de

8 m y se deja caer al suelo. La temperatura original del plomo es de 18 ºC. Se

realizan cinco de estos lanzamientos y se mide al final la temperatura. ¿Cuál será

el resultado de la medida?

h = 8 m t0 = 18 ºc n = 5 t = ?

c = 0,031 cal/gºC = 0,031 x 4186 = 129,766 J/kgºC

Q = Ep

mc(t – t0) = n.mgh

ct – ct0 = ngh

ct = ct0 = ngh

766,129

88,95Cº18

c

nghtt 0

t = 21,02 ºC

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

16. Un sistema se lleva del estado i al estado f siguiendo las trayectorias iaf

e ibf, como se ilustra en la figura.

a. Indica qué tipo de proceso son ia y bf.

b. Indica qué tipo de proceso son af e ib.

c. Si por cualquiera de las dos trayectorias el sistema varía, su energía interna

es 86 cal, y el calor absorbido por la trayectoria iaf es 108 cal. ¿Qué

trabajo realiza el sistema por esta trayectoria?

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d. ¿Qué cantidad de calor debe absorber por la trayectoria ibf para realizar

un trabajo de 16 cal?

Solución:

a. Procesos Isocoro.

b. Procesos isobáricos.

c. cal22cal86cal108UQT

d. calcalcalUTQ 1028616

17. Un litro de agua hierve isobáricamente a 100 ºC y a la presión de una

atmósfera convirtiéndose en 1594 litros de vapor. Calcular:

a. Trabajo realizado por el sistema.

b. Calor absorbido por el sistema.

c. Variación de la energía interna.

Solución:

a. Se realiza la gráfica de presión contra volumen:

P = 1 atm = 1,013 x 105 N/m2

V0 = 1 l = 10–3 m3

V = 1 594 l = 1,594 m3

Para hallar el trabajo realizado, se calcula el área bajo la curva:

Nm9,370161m

N10013,1m10m594,1hbA

2

5333

13

T = 161 370,9 J

b. calg

calgmLQ 0005395391000

c. UVVPQ if

cal86.449500U

cal14.55038cal000539J9.370161cal000539U

m10m594.1m

N10013.1cal000539VVPQU 333

2

5

if

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

18. Una máquina absorbe 110 cal y cede 55 cal en cada ciclo. ¿Qué trabajo

en Julios realiza? ¿Cuál es su rendimiento?

%505.0cal110

cal55

Q

TE

J23.230cal1

J186.4cal55cal55cal100QQT

c

fc

19. Una máquina de Carnot funciona entre dos focos calóricos a las

temperaturas de 27 ºC y 127 ºC.

a. Si la máquina absorbe en cada ciclo 1 000 cal, ¿cuánto calor cede

al foco frío?

cal750273Cº127

273Cº27cal1000

T

TQQ

T

T

Q

Q

c

fcf

c

f

c

f

b. ¿Cuál es la eficiencia de la máquina?

%2525.0273127

273271

T

T1E

c

f

c. ¿Qué trabajo en Julios realiza la máquina en un ciclo?

14

J5.1046cal1

J186.4cal250cal100025.0EQT

Elaboro:

Profesora Liliana Bertilde Sepúlveda Báez

TALLER DE NIVELACION

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1. ¿A qué temperatura tienen tc y tf el mismo valor numérico?RTA/ tc = –40 ºC

2. Calcular la longitud dilatada por una varilla de aluminio de 42 cm de

longitud cuando su temperatura se eleva de 45 ºC a 10 ºC. RTA/cmL 03528.0

3. Un disco de acero tiene un radio de 20 cm a 10 ºC. Calcular su área a 85 ºC.

RTA/ A = 1 258.9 cm2

4. Una esfera de vidrio pirex tiene un radio de 5 cm a 5 ºC. Calcular el volumen a

68 ºC. RTA/ V = 523.92 cm3

5. En un recipiente de hierro de 40 g que contiene 180 g de agua a 15 ºC se

agregan 70 g de perdigones de hierro a 110 ºC. Hallar la temperatura

resultante.

RTA/ t = 18.97 ºC

6. Cuando 2 kg de latón a 100 ºC se introducen en 5 kg de agua a 1.67 ºC, la

temperatura de equilibrio es 5.11 ºC. Hallar el calor específico del latón.

RTA/ c1 = 0.091 cal/gºC

7. ¿Qué variación de temperatura sufren 800 g de agua que caen desde una

altura de 6 m, si suponemos que con el impacto toda la energía se

convierte en calor?

RTA/ Ct º014.0

8. Una bala de plomo de 40 g de masa, posee una energía cinética de 8.4 J.

Si al chocar contra un blanco queda inmediatamente en reposo, ¿cuál

será la elevación de la temperatura de la bala si no hubiese intercambio

de calor con el ambiente?

RTA/ Ct º62.1

9. En cierto proceso se suministra a un sistema 500 cal y al mismo tiempo

se realiza sobre el sistema un trabajo de 120 J. ¿En cuánto se

incrementa su energía interna? RTA/528,67 cal

TALLER DE PROFUNDIZACION

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1. Una platina de acero tiene un diámetro de 8 500 cm a 10 ºC. ¿A qué

temperatura será su diámetro igual a 8 508 cm?

RTA/ tf = 88.47 ºC

2. Un puente de acero tiene a 0 ºC una longitud de 40 m. La temperatura

sufre una variación semestral desde –20 ºC a 4 º C. ¿Cuál es la

diferencia entre las longitudes de este puente a las dos temperaturas

extremas?

RTA/ mm52.11m01152.0L

3. Una pieza de fundición de 40 kg con c = 0.212 cal/gºC se enfría desde

600 ºC hasta 80 ºC colocándola en agua cuya temperatura inicial era de

12 ºC. ¿Cuánta agua se ha empleado?

RTA/ m2 = 64.85 kg

4. Un trozo de hielo cae, partiendo del reposo a un lago que se encuentra a

0 ºC fundiéndose el 50% de la masa de hielo. ¿De qué altura cayó el

hielo?

RTA/ h = 16.27 m

5. Un bloque de madera de 4 kg de masa que viaja inicialmente a 16 m/s se

detiene, debido al rozamiento, a los 4 s. Calcula la cantidad de calor

producida por la fricción.

RTA/ Q = 122.31 cal

6. Representa las siguientes transformaciones en un gráfico de presión

contra volumen.

a. 12 litros de aire se comprimen isotérmicamente hasta un volumen de 4

litros. Luego se dejan expandir isobáricamente hasta obtener su volumen

original.

b. 24 litros de gas se expanden adiabáticamente hasta un volumen de 30

litros; luego isotérmicamente continúa la expansión hasta obtener un

volumen de 40 litros.