AD.01.02.01 Temperatura, Volumen y Presión.

Termodinámica

2. Temperatura, Volumen y Presión

AD.01.02.01 Temperatura, Volumen y Presión.

El propósito esperado de este tema es conocer los Conceptos de termodinámica, temperatura, volumen y presión, el sistema termodinámico y sus elementos, fundamentales ya que nos permiten la descripción del estado y comportamiento del mismo con el entorno.

Definición Temperatura, Volumen y Presión

La temperatura es una magnitud física escalar que mide el grado de frío o calor de un cuerpo o sistema.La temperatura está directamente relacionada con la energía cinética promedio de las partículas que componen una sustancia. Cuanto mayor sea la energía cinética promedio de estas partículas (es decir, cuanto más rápido se muevan o vibren), mayor será la temperatura del sistema. La temperatura determina la dirección del flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto: el calor siempre fluirá del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura hasta que se alcance el equilibrio térmico. La unidad del Sistema Internacional (SI) para la temperatura es el Kelvin (°K).

Definición Temperatura, Volumen y Presión

El volumen es una magnitud física escalar que expresa la extensión o el espacio tridimensional que ocupa un cuerpo o sustancia.En termodinámica, el volumen es una variable de estado importante para describir el comportamiento de gases y líquidos, ya que puede cambiar en respuesta a variaciones de temperatura y presión. La unidad del Sistema Internacional (SI) para el volumen es el metro cúbico (m³), aunque otras unidades como el litro (L) son comúnmente utilizadas, especialmente para líquidos (1 L = 0.001 m³).

Definición Temperatura, Volumen y Presión

La presión es una magnitud física escalar que se define como la cantidad de fuerza ejercida perpendicularmente por unidad de área. En el contexto de la termodinámica, la presión de un gas o un fluido en un recipiente es el resultado de las colisiones constantes de sus partículas contra las paredes del recipiente. La presión es una variable primordial en el estudio de los gases y los cambios de fase, ya que afecta significativamente el volumen y la temperatura de un sistema. La unidad del Sistema Internacional (SI) para la presión es el Pascal (Pa), que equivale a un Newton por metro cuadrado (N/m2). Otras unidades comunes incluyen la atmósfera (atm) y el bar.

Explicar los factores de conversión de variables termodinámicas.

En termodinámicas es fundamental poder pasar de una unidad a otra para resolver problemas y trabajar con diferentes sistemas de unidades. Las variables termodinámicas clave que discutimos son:

Temperatura

Volumen

Presión

Para cada una de ellas, existen diferentes unidades de medida y, por lo tanto, factores de conversión entre ellas.

Factores de conversión de la Temperatura

TEMPERATURA: La temperatura tiene tres escalas principales: Celsius, Fahrenheit y Kelvin.

Celsius (°C)

Fahrenheit (∘F)

Kelvin (K)

La escala más utilizada en la vida diaria en la mayor parte del mundo. El punto de congelación del agua es 0∘C y el punto de ebullición es 100∘C.

La escala de temperatura termodinámica (absoluta). El 0 Kelvin (°K) representa el cero absoluto, el punto donde las partículas tienen la mínima energía térmica posible. Es la unidad del SI.

Utilizada principalmente en Estados Unidos. El punto de congelación del agua es 32°F y el punto de ebullición es 212°F.

Factores de conversión de la Temperatura

Fórmulas de Conversión:

De Celsius a Fahrenheit: °F​= (°C​×9/5) + 32 o °F​= (°C​×1.8) + 32 De Fahrenheit a Celsius: °C​= (°F​ − 32) × 5/9

De Celsius a Kelvin: ° K​= °C​ + 273.15 De Kelvin a Celsius: °C​= °K ​− 273.15

De Kelvin a Fahrenheit: °F​= (°K ​− 273.15) × 9/5+32 De Fahrenheit a Kelvin: °K​= (°F​−32) × 5/9 + 273.15

Ejemplos de Conversión de unidades de Temperatura

Ejemplo:

Un día frío en México marcó 50°F. ¿Cuál es esa temperatura en grados Celsius?

El punto de congelación del agua es 273.15°K. ¿Cuál es esa temperatura en grados Celsius?

Convertir 25∘C a Kelvin. Formula ° K​= °C​ + 273.15 °K​= 25° + 273.15 °K= 298.15 °K

Solución

Solución

Si la temperatura del horno es 200°C, ¿cuántos grados Fahrenheit son?

La temperatura más baja posible es °K (cero absoluto). ¿Cuál es esa temperatura en grados Fahrenheit?

Solución

Solución

Factores de conversión de Volumen

El volumen mide el espacio ocupado por una sustancia. La unidad del SI es el metro cúbico (m3)

Litro (L):

Metro cúbico (m3)

Centímetro cúbico (cm3)

Mililitro (mL)

Galón (gal)

Pie cúbico (ft3)

Factores de conversión de Presión

La presión es fuerza por unidad de área. La unidad del SI es el Pascal (Pa).

Pascal (Pa)

Bar (bar)

Kilopascal (kPa)

Libras por pulgada cuadrada (psi))

Milímetros de mercurio (mmHg) o Torr (Torr)

Atmósfera (atm)

Describir el uso de los instrumentos de medición de variables termodinámicas

Los instrumentos de medición termodinámicos son la base para el diseño, operación y control de innumerables sistemas, desde el refrigerador de tu casa hasta grandes centrales eléctricas, asegurando eficiencia, seguridad y el correcto funcionamiento de procesos críticos.Son nuestros "ojos y oídos" en el mundo de la energía y la materia.

Instrumentos para la Medición de Volumen

Instrumentos para la Medición de Temperatura.

Instrumentos para la Medición de Flujo (relacionado con volumen y tiempo)

Instrumentos para la Medición de Presión

Instrumentos para la Medición de Masa/Densidad (relacionados con volumen y cantidad de sustancia)

Referencias

• Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2019). Termodinámica. McGraw-Hill Interamericana. (Un texto fundamental y muy utilizado en ingeniería para comprender los principios de la termodinámica).
• Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2018). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Wiley. (Excelente para un enfoque más ingenieril de la termodinámica).
• Atkins, P., & De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry. Oxford University Press. (Para un enfoque más profundo y fisicoquímico de la termodinámica).
• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2018). Física para ciencias e ingeniería (Vol. 1 y 2). Cengage Learning. (Especialmente los capítulos sobre Termodinámica).
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2007). Física para la ciencia y la tecnología (Vol. 1 y 2). Reverté. (También contiene secciones detalladas sobre Termodinámica).
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2018). Física universitaria con física moderna (Vol. 1 y 2). Pearson Educación. (Una de las obras más completas y utilizadas para cursos de física general).
• https://www.matech77.com/2023/02/termodinamica-ley-cero-primera-ley.html

• Mtro. Gilberto Castro Vélez - Universidad Tecnológica de Acapulco
• Mtro. Jacob Casillas Solano - Universidad Tecnológica de Acapulco
• Dr. Roberto Alvarado Juárez - Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz

• Mtro. Jesus Jonathan Mariche Bernal - Universidad Tecnológica de Acapulco

• Dr. Jesús Alejandro Álvarez Galeana - Universidad Tecnológica de Acapulco

• Mtro. Daniel García Alcocer - Universidad Tecnológica de Acapulco

Instrumentos para la Medición de Volumen

El volumen mide el espacio ocupado por una sustancia. Aunque no hay un "medidor de volumen" universal como el termómetro o el manómetro, el volumen se mide a menudo de forma indirecta o con equipos específicos para líquidos y gases.

Instrumentos para la Medición de Presión.

La presión se define como la fuerza por unidad de área y se mide con manómetros o sensores de presión.

Instrumentos para la Medición de Flujo (relacionado con volumen y tiempo)

Aunque el caudal no es una variable termodinámica en sí misma, es crucial en termodinámica aplicada y sistemas de fluidos, ya que a menudo necesitamos conocer el volumen de sustancia que se mueve en un tiempo dado.

Primero convertimos de Kelvin a Celsius, y luego de Celsius a Fahrenheit.

Paso 1: Kelvin a Celsius: °C​ = °K ​− 273.15 °C​= 0 − 273.15

Paso 2: Celsius a Fahrenheit: °F ​= (°C​ × 9/5) + 32 °F​ = (−273.15 × 9/5) + 32 °F ​= (−491.67) + 32

R.- −273.15 °C

R.- −459.67 °F

Instrumentos para la Medición de Masa/Densidad (relacionados con volumen y cantidad de sustancia)

La masa es una propiedad extensiva, y junto con el volumen, nos permite determinar la densidad de una sustancia, que es una propiedad intensiva importante en termodinámica.

Solución: Para convertir de Fahrenheit a Celsius, usamos

°C​ = (°F ​−32) × 5/9 °C​ = (50°− 32) × 5/9 °C ​= 18 × 5/9

R.- 10 °C

Instrumentos para la Medición de Temperatura.

La temperatura es una de las variables termodinámicas más comunes y se mide con termómetros. Estos instrumentos se basan en el principio de que muchas propiedades de los materiales cambian de forma predecible con la temperatura.

Solución: Para convertir de Celsius a Fahrenheit, usamos:

°F​ = (°C​ × 9/5) + 32 °F ​= (200° × 9/5) + 32 °F​ = (360) + 32

R.- 392 °F

Solución: Para convertir de Kelvin a Celsius, usamos

°C ​= °K​− 273.15 °C​ = 273.15 − 273.15

R.- 0 °C