Termodinámica

Objetivo de Aprendizaje 9.1.A: Describir la presión que ejerce un gas sobre su contenedor en términos del movimiento atómico dentro de ese gas.

• 9.1.A.1 Los átomos en un gas colisionan con otros átomos del gas y con el contenedor en el que se encuentra, ejerciendo fuerzas sobre ellos.
  • 9.1.A.1.i Las colisiones entre pares de átomos o entre un átomo y un objeto fijo pueden describirse y analizarse utilizando los principios de conservación del momento.
  • 9.1.A.1.ii La presión que ejerce un gas sobre una superficie es la razón entre la suma de las magnitudes de las componentes perpendiculares de las fuerzas ejercidas por los átomos del gas sobre la superficie y el área de dicha superficie.
    • Ecuación: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
  • 9.1.A.1.iii La presión existe en todo el gas mismo, no solo en la frontera entre el gas y el contenedor.

Objetivo de Aprendizaje 9.1.B: Describir la temperatura de un sistema en términos del movimiento atómico dentro de ese sistema.

• 9.1.B.1 La temperatura de un sistema se caracteriza por la energía cinética promedio de los átomos dentro de ese sistema.
  • 9.1.B.1.i La distribución de Maxwell–Boltzmann proporciona una representación gráfica de las energías y velocidades de los átomos a una temperatura dada.
  • 9.1.B.1.ii La velocidad cuadrática media correspondiente a la energía cinética promedio para un gas ideal está relacionada con la temperatura del gas mediante
    • Ecuación: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

Declaración de límites: AP Physics 2 solo espera que los estudiantes realicen un análisis cualitativo y cuantitativo de colisiones en una y dos dimensiones. No se espera que los estudiantes conozcan la forma funcional de la distribución de Maxwell-Boltzmann, pero sí que estén familiarizados con cómo las características de la distribución se relacionan con la temperatura del gas.

Objetivo de Aprendizaje 9.2.A: Describir las propiedades de un gas ideal.

• 9.2.A.1 El modelo clásico de un gas ideal asume que las velocidades instantáneas de los átomos son aleatorias, que los volúmenes de los átomos son despreciables en comparación con el volumen total ocupado por el gas, que los átomos colisionan elásticamente y que las únicas fuerzas apreciables sobre los átomos son aquellas que ocurren durante las colisiones.
• 9.2.A.2 Un gas ideal es aquel en el cual las relaciones entre la presión, el volumen, el número de moles o el número de átomos y la temperatura de un gas pueden modelarse mediante la ecuación:
  • Ecuación: $PV = nRT = N k_B T$
• 9.2.A.3 Las gráficas que modelan la presión, la temperatura y el volumen de los gases se pueden utilizar para describir o determinar las propiedades de dicho gas.
• 9.2.A.4 Una temperatura a la que un gas ideal tiene una presión cero puede extrapolarse a partir de una gráfica de la presión en función de la temperatura.

Objetivo de aprendizaje 9.3.A: Describir la transferencia de energía entre dos sistemas en contacto térmico debido a las diferencias de temperatura de dichos sistemas.

• 9.3.A.1 Dos sistemas están en contacto térmico si pueden transferir energía mediante procesos térmicos.
  • 9.3.A.1.i El calentamiento es la transferencia de energía hacia un sistema mediante procesos térmicos.
  • 9.3.A.1.ii El enfriamiento es la transferencia de energía fuera de un sistema mediante procesos térmicos.
• 9.3.A.2 Los procesos térmicos mediante los cuales puede transferirse energía entre sistemas a diferentes temperaturas son la conducción, la convección y la radiación.
• 9.3.A.3 La energía se transfiere espontáneamente a través de procesos térmicos desde un sistema de mayor temperatura hacia un sistema de menor temperatura.
  • 9.3.A.3.i En las colisiones entre átomos de distintos sistemas, es más probable que la energía se transfiera de átomos de mayor energía a átomos de menor energía.
  • 9.3.A.3.ii Después de muchas colisiones de átomos de distintos sistemas, el estado más probable es aquel en el que ambos sistemas tienen la misma temperatura.
• 9.3.A.4 El equilibrio térmico se produce cuando no hay una transferencia neta de energía por procesos térmicos entre dos sistemas en contacto térmico entre sí.

Objetivo de Aprendizaje 9.4.A: Describir la energía interna de un sistema.

• 9.4.A.1 La energía interna de un sistema es la suma de la energía cinética de los objetos que lo componen y la energía potencial de la configuración de dichos objetos.
  • 9.4.A.1.i Los átomos en un gas ideal no interactúan entre sí mediante fuerzas conservativas, y su estructura interna no se considera. Por lo tanto, un gas ideal no posee energía potencial interna.
  • 9.4.A.1.ii La energía interna de un gas ideal monoatómico es la suma de las energías cinéticas de los átomos constituyentes del gas.
    • Ecuación: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
• 9.4.A.2 Los cambios en la energía interna de un sistema pueden resultar en cambios en su estructura interna y comportamiento interno sin alterar el movimiento del centro de masa del sistema.

Objetivo de Aprendizaje 9.4.B: Describir el comportamiento de un sistema mediante procesos termodinámicos.

• 9.4.B.1 La primera ley de la termodinámica es una reformulación de la conservación de la energía que tiene en cuenta la energía transferida hacia o desde un sistema por trabajo, calor o enfriamiento.
  • 9.4.B.1.i Para un sistema aislado, la energía total es constante.
  • 9.4.B.1.ii Para un sistema cerrado, el cambio en la energía interna es la suma de la energía transferida al o desde el sistema por calentamiento, o el trabajo realizado sobre el sistema.
    • Ecuación: $\Delta U = Q + W$
  • 9.4.B.1.iii El trabajo realizado sobre un sistema por una presión externa constante o promedio que cambia el volumen de ese sistema (por ejemplo, un pistón comprimiendo un gas en un contenedor) se define como
    • Ecuación: $W = -P \Delta V$
• 9.4.B.2 Los gráficos de presión-volumen (también conocidos como diagramas PV) son representaciones utilizadas para representar procesos termodinámicos.
  • 9.4.B.2.i Las líneas de temperatura constante en un diagrama PV se denominan isotermas.
  • 9.4.B.2.ii El valor absoluto del trabajo realizado sobre un gas cuando este se expande o se comprime es igual al área bajo la curva de una gráfica de presión frente a volumen para el gas.
• 9.4.B.3 Casos especiales de procesos térmicos dependen de la relación entre la configuración del sistema, la naturaleza del trabajo realizado sobre el sistema y el entorno del mismo. Estos incluyen volumen constante (isovolumétrico), temperatura constante (isotérmico) y presión constante (isobárico), así como procesos donde no hay transferencia de energía al o desde el sistema a través de procesos térmicos (adiabático).

Objetivo de aprendizaje 9.5.A: Describir la energía requerida para cambiar la temperatura de un objeto en una cantidad determinada.

• 9.5.A.1 La cantidad de energía requerida para cambiar la temperatura de un material está relacionada con el calor específico del material.
  • Ecuación: $Q = mc\Delta T$
• 9.5.A.2 El calor específico de un material es una propiedad intrínseca de ese material que depende de la disposición e interacciones de los átomos que lo componen.

Objetivo de aprendizaje 9.5.B: Describir la tasa a la cual se transfiere la energía por conducción a través de un material dado.

• 9.5.B.1 La tasa a la cual se transfiere la energía por conducción a través de un material dado está relacionada con la conductividad térmica, las dimensiones físicas del material y la diferencia de temperatura a través del mismo.
  • Ecuación: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
• 9.5.B.2 La conductividad térmica de un material es una propiedad intrínseca de ese material que depende de la disposición e interacciones de los átomos que lo componen.

Enunciado de límite: AP Physics 2 modelará el calor específico como independiente de la temperatura.

Objetivo de aprendizaje 9.6.A: Describir el cambio en la entropía de un sistema dado a lo largo del tiempo.

• 9.6.A.1 La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir y es constante únicamente cuando todos los procesos que experimenta el sistema son reversibles.
• 9.6.A.2 La entropía puede describirse cualitativamente como la tendencia de la energía a dispersarse o como la indisponibilidad de parte de la energía del sistema para realizar trabajo.
  • 9.6.A.2.i La energía localizada tenderá a dispersarse y expandirse.
  • 9.6.A.2.ii La entropía es una función de estado y, por lo tanto, solo depende del estado actual o configuración de un sistema, no de cómo el sistema alcanzó ese estado.
  • 9.6.A.2.iii La entropía máxima ocurre cuando un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico.
• 9.6.A.3 El cambio en la entropía de un sistema está determinado por las interacciones del sistema con su entorno.
  • 9.6.A.3.i Los sistemas aislados se mueven espontáneamente hacia el equilibrio termodinámico.
  • 9.6.A.3.ii La entropía de un sistema aislado nunca disminuye, pero la entropía de un sistema cerrado puede disminuir porque la energía puede transferirse hacia dentro o fuera del sistema.

Enunciado sobre el alcance: Solo el tratamiento cualitativo de la segunda ley de la termodinámica se encuentra dentro del ámbito del AP Physics 2.