lunes, 22 de septiembre de 2014

LEY DE CHARLES, LEY DE BOYLE Y LEY DE GAY LUSSAC.

Ley de Charles

La Ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente Ley de Charles, es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y latemperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenida a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.

En esta ley, Jacques Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente relacionada con la energía cinética (debido al movimiento) de las moléculas del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.

La ley fue publicada primero por Gay Lussac en 1803, pero hacía referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de alrededor de1787, lo que condujo a que la ley sea usualmente atribuida a Charles. La relación había sido anticipada anteriormente en los trabajos deGuillaume Amontons en 1702.

Por otro lado, Gay-Lussac relacionó la presión y la temperatura como magnitudes directamente proporcionales en la llamada "La segunda ley de Gay-Lussac".

Volumen sobre temperatura: Constante (K -en referencia a si mismo)

$\frac{V}{T} = k_2$

o también:

$V = k_2T \qquad$

donde:

· V es el volumen.

· T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin).

· k₂ es la constante de proporcionalidad.

Además puede expresarse como:

$\frac {V_1}{T_1} = \frac {V_2}{T_2}$

donde:

$V_1\,$ = Volumen inicial

$T_1\,$ = Temperatura inicial

$V_2\,$ = Volumen final

$T_2\,$ = Temperatura final

Despejando T₁ se obtiene:

$T_1 =\frac {V_1 \cdot T_2}{V_2}$

Despejando T₂ se obtiene:

$T_2 =\frac {V_2 \cdot T_1}{V_1}$

Despejando V₁ es igual a:

$V_1 =\frac {V_2 \cdot T_1}{T_2}$

Despejando V₂ se obtiene:

$V_2 =\frac {V_1 \cdot T_2}{T_1}$

Ley de Boyle-Mariotte

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Boyles_Law_animated.gif/300px-Boyles_Law_animated.gif

Animación: masa y temperatura constante.

La Ley de Boyle-Mariotte, o Ley de Boyle, formulada independientemente por el físico y químico irlandés Robert Boyle(1662) y el físico y botánico francés Edme Mariotte (1676), es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y lapresión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. La ley dice que:

La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.

o en términos más sencillos:

A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce.

Matemáticamente se puede expresar así:

$PV=k\,$

donde $k\,$ es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. No es necesario conocer el valor exacto de la constante $k\,$ para poder hacer uso de la ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:

$P_1V_1=P_2V_2\,$

donde:

· $P_1 = Presi\acute{o}n \ inicial \,$

· $P_2 = Presi\acute{o}n \ final\,$

· $V_1 = Volumen \ inicial\,$

· $V_2 = Volumen \ final\,$

Además, si se despeja cualquier incógnita se obtiene lo siguiente:

$P_1=\frac{P_2V_2}{V_1} \qquad V_1=\frac{P_2V_2}{P_1} \qquad P_2=\frac{P_1V_1}{V_2} \qquad V_2=\frac{P_1V_1}{P_2}\,$

Esta ley es una simplificación de la ley de los gases ideales o perfectos particularizada para procesos isotérmicos de una cierta masa de gas constante.

Junto con la ley de Charles, la ley de Gay-Lussac, la ley de Avogadro y la ley de Graham, la ley de Boyle forma las leyes de los gases, que describen la conducta de un gas ideal. Las tres primeras leyes pueden ser generalizadas en la ecuación universal de los gases.

Ley de Gay-Lussac

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/2%C2%B0legge_Gay_Lussac.jpg/200px-2%C2%B0legge_Gay_Lussac.jpg

Representación gráfica, la pendiente de la recta es la constante.

La ley de Gay-Lussac¹ dice:

Establece que la presión de un volumen fijo de un gas, es directamente proporcional a su temperatura.

· Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura (Kelvin) permanece constante:

$\frac{P}{T} =k_3$

o también:

$P = k_3T \qquad$

donde:

· P es la presión

· T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)

· k₃ la constante de proporcionalidad

Esta ley fue enunciada en 1802 por el físico y químico francés Louis Joseph Gay-Lussac.

]

Descripción

Para una cierta cantidad de gas, al aumentar la temperatura las moléculas del gas ,se mueven más rápidamente y por lo tanto aumenta el número de choques contra las paredes por unidad de tiempo, es decir, aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento del proceso, el cociente entre la presión y la temperatura absoluta tenía un valor constante.

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión $\scriptstyle P_1$ y a una temperatura $\scriptstyle T_1$ al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor $\scriptstyle T_2$ , entonces la presión cambiará a $\scriptstyle P_2$ , y se cumplirá:

$\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$

donde:

$P_1\,$ = Presión inicial

$T_1\,$ = Temperatura inicial

$P_2\,$ = Presión final

$T_2\,$ = Temperatura final

Que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.

Esta ley, al igual que la ley de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Es decir, las temperaturas han de expresarse en Kelvin. y todos los gases se comprimen para poder que el volumen aumente

Validez de la ley

Estrictamente la ley de Gay-Lussac es válida para gases ideales y para gases reales se cumple con un gran grado de acuerdo sólo en condiciones de presión y temperaturas moderadas y bajas densidades del gas, a altas presiones la ley necesita ser corregida con términos específicos según la naturaleza del gas. Por ejemplo para un gas que satisface la ecuación de Van der Waals la ley de Gay-Lussac debería escribirse como:

$\frac{P-P_0}{T} = \text{constante}$

El término $\scriptstyle P_0$ es una constante que dependerá de la cantidad de gas en el recipiente y de su densidad, y para densidades relativamente bajas será pequeño frente a $\scriptstyle P$ , pero no para presiones grandes.

TRANSMISIÓN DE CALOR.

TRANSMISIÓN DE CALOR
La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. Los modos de transferencia son diferentes procesos de transporte de calor, usualmente se agrupan en tres tipos según haya también transferencia o no transferencia de materia (o fotones)como los siguientes :

· Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura.

· Convección: La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

· Radiación: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.

· Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.

· La efectividad de un aislante está indicado por su resistencia (R). La resistencia de un material es el inverso del coeficiente de conductividad térmica (k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional: (K•m²/W).

· La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.²

· La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absorbitividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absorbitividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR

Cuando proporcionamos calor a un cuerpo y se eleva su temperatura, ya sabemos que hay un aumento en la energía de agitación de sus átomos. Este incremento hace que la fuerza de cohesión de losátomos se altere, ocasionando modificaciones en su organización y separación. La absorción de calor por parte de un cuerpo puede provocar en él, un cambio de fase.

Los cambios de fase o cambios provocados por el calor que pueden ocurrir en una sustancia, reciben denominaciones especiales.

Fusión: cambio de sólido a líquido.
Solidificación: cambio de líquido a sólido.
Vaporización: cambio de líquido a gas.
Condensación (o licuefacción): cambio de gas a líquido.
Sublimación: Cambio directo de sólido a gas o de gas a sólido sin pasar por el estado líquido.

Denominaciones que reciben los cambios de un estado físico a otro

La cantidad de calor requerida para fundir una unidad de masa de una sustancia en su punto de fusión, se llama: calor latente de fusión para esa sustancia.CALOR LATENTE DE FUSIÓN (Lf)
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su temperatura de fusión.

El término latente, surge del hecho deque la temperatura permanece constante durante el proceso de fusión.

La cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa se llama: calor latente de vaporización.

CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (Lv)
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.

[pic]

Lf = Calor latente de fusión (J/Kg., cal/g.,Btu/lb.)
Lv = Calor latente de fusión (J/Kg., cal/g., Btu/lb.)
Q = Cantidad de calor ( Joules, calorías,Btu)
m = masa ( Kg., g. )

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno o entre un sistema y otro debido a una diferencia de temperatura entre ambos, donde la energía fluye del sistema de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

La teoría de la cinética dice que la materia está constituida por partículas moleculares que se encuentran en constate movimiento. Y puesto que el calor se asocia con el cambio de temperatura y esta a su vez se relaciona con la energía molecular interna de una sustancia, se puede concluir que el calor es una forma de energía: energía térmica que fluye de un sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Así que la temperatura no es una medida de calor de un cuerpo, es energía interna que se incrementa cuando aumenta la temperatura. La variación en la energía interna de un cuerpo no solo se da por el suministro de calor, también se puede dar por acción de otras formas de energía.

Pero es importante que hagamos una distinción mayor entre energía interna y calor. Energía interna es toda la energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos, átomos y moléculas, cuando se ve desde un marco de referencia en reposo con respecto al centro de masa del sistema.

Y el calor como anteriormente ya lo había planteado se define como la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno.

Unidades de calor.

Las primeras nociones de calor basadas en el calórico sugerían que el flujo de este fluido de una sustancia a otra causaba cambios en la temperatura. Del nombre de este mítico fluido tenemos una unidad de energía relacionada con proceso térmico, la caloría (cal), que se define como la cantidad de trasferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 °C a 15.5°C. La unidad de energía en el sistema convencional en estado unido es la unidad térmica británica (Btu), que se define como la cantidad de trasferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1Lb de agua de 63°F a 64°F.

Cuando se suministra calor a una sustancia, se puede elevar su temperatura y produciré alteraciones en algunas de sus propiedades físicas, como en el tamaño de los cuerpos, ya que la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse.

Dilatación.

Casi todos los materiales se expanden al aumentar la temperatura. Los cambios de temperatura por lo regular traen consigo cambios en las dimensiones de los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gases.

Al aumentar su temperatura, el movimiento de sus partículas se vuelven más rápido y se incrementa la separación entre ellas, lo que hace que se expandan. A este fenómeno se le llama dilatación.

Los gases se dilatan mucho más que los líquidos ya que Las uniones entre las moléculas de los gases son las menos fuertes y las que más se dilatan en presencia de calor; les siguen los líquidos y por último, los sólidos.

Este fenómeno conocido como expansión térmica o dilatación, tiene importante papel en numerosas aplicaciones de ingeniería por ejemplo en la construcción de edificios, puentes y carreteras de concreto, vías de ferrocarril, muros de ladrillo y puentes para compensar cambios dimensionales que ocurren cuando cambia la temperatura.

CALOR, TEMPERATURA Y DILATACIÓN

El calor se define como la transferencia de energía que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con untermómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es elkelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine(°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería. Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma. Dilatación lineal

Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo. 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:

Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura 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 [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Dilatación volumétrica

Animación: Dilatación y contracción volumétrica de un gas por variación de la temperatura.

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por α_V, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por: