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CALOR
QUE ES ENERGÍA?El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante.
La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
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**Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.**
El calor puede ser generado por reacciones:Químicas (como en la combustión)Nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol) Disipación electromagnética (como en los hornos de microondas)Disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.06/08/2011
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ESCALAS DE TEMPERATURA
En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada.
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CELSIUS
ESCALAS TERMOMÉTRICAS
FAHRENHEI
T
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D
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ESCALAS TERMOMÉTRICASKELVIN
273TT CK
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CELSIUS Y KELVIN
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EJEMPLO DE CONVERSIÓN ENTRE °C Y K En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a 4K (Fenómeno conocido como superconductividad). ¿Cuál es esta temperatura en °C?
• Como T = tc +273• Sustituyendo valores:• 4 = tc + 273. Entonces • Tc =4-273. Por lo tanto• Tc = -269 °C
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ESCALA FAHRENHEIT
Utilizada principalmente en los países de habla inglesa
El punto de fusión del hielo se señala por 32 °F y el de ebullición por 212 °F
• 32 °F = 0 °C• 212 °F = 100 °C• (1 °F) = (5/9)(1 °C)
Relación entre escala Celsius (tc) y escala Fahrenheit (tF)
329
5 FC tt
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EJEMPLO DE CONVERSIÓN ENTRE °C Y ° F
El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una temperatura de 104 °F. Indique a cuantos °C equivale esta temperatura.
• Como tc=(5/9)(tF-32)• Sustituyendo valores encontramos:• tc=(5/9)(104-32) = (5/9)(72) = 40• Por lo tanto:• tc= 40 °C
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UNIDADES DE CALOR
En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en Jules. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión.
La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. 06/08/2011
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A
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TRANSFERENCIA DE CALOREs el proceso por el que se intercambia energía en forma de
calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante:
1)Convección (líquido o gas)
2)Radiación (ondas electromagnéticas)
3)Conducción (en los sólidos)
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TRANSMISIÓN DEL CALOR
Conducción: Es el proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos. Los de mayor temperatura transfieren energía a los de menor temperatura, hasta que sus temperaturas se equilibran. Esta forma de propagación del calor ocurre en las sustancias sólidas.
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CONDUCCIÓN
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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Material λ Material λ Material λ
Acero 47-58 Corcho 0,04-0,30 Mercurio 83,7
Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35
Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,07 Níquel 52,3
Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2
Alpaca 29,1 Hierro 1,7 Parafina 0,21
Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7
Amianto 0,04 Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo 35,0
Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0
Cinc 106-140 Litio 301,2
Cobre 372,1-385,2 Madera 0,13 Mercurio
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TRANSMISIÓN DEL CALOR
Convección: Corresponde a la transmisión del calor en los líquidos y gases por el movimiento de sus moléculas, en forma de corrientes cálidas ascendentes y frías descendentes.
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CONVENCIÓN
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TRANSMISIÓN DEL CALOR
Radiación: El calor puede transmitirse a grandes distancias sin calentar en forma apreciable el espacio intermedio. Se produce mediante ondas calóricas semejantes a las de radio o electromagnéticas.06/08/2011
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RADIACIÓN Propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material.
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RADIACIÓN TÉRMICA
La radiación térmica es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej: La energía solar.
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EL CALOR LLEGA DESDE EL SOL HASTA LA PLACA METÁLICA POR RADIACIÓN. EL METAL DE LA PLACA EMITE RADIACIÓN EN EL INFRARROJO
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DILATACIÓN DE LOS CUERPOS
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CONSECUENCIAS
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DILATACIÓN LINEALDILATACIÓN LINEAL
En el caso de los cuerpos cuya principal dimensión es la longitud, al aumentar su temperatura, aumenta principalmente su longitud. De ahí entonces que hablemos de dilatación lineal.
l0l
0l l T 06/08/2011
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DILATACIÓN SUPERFICIALDILATACIÓN SUPERFICIALComo en el caso anterior, la dilatación que experimenta cuya principal dimensión es su superficie, como en el caso de una lámina metálica.
0A A T
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DILATACIÓN VOLUMÉTRICADILATACIÓN VOLUMÉTRICA
La variación del volumen de un cuerpo que absorbe calor y aumenta su temperatura desde un valor hasta una temperatura final . Como en el caso de un cubo de metal, su dilatación volumétrica es:
0TT
0V V T 06/08/2011
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Al aumentar la temperatura de una sustancia, aumenta la energía cinética de las moléculas que la forman, provocando un aumento de su volumen (dilatación); en caso contrario, si disminuye la temperatura, se produce una disminución de su volumen (contracción).
DILATACIÓN YCONTRACCIÓN
T)3(VV
T)2(AA
TLL
0
0
0
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¿QUÉ LE SUCEDE AL ORIFICIO DE UN ARO AL AUMENTAR LA TEMPERATURA?
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EJEMPLOS
Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20°C. Suponiendo que la placa fuese calentada hasta 120 °C y zinc=2.6x10-5 °C-1, calcule:
• El aumento en longitud de la placa.
• L=L0t, entonces L=(2.6x10-5 °C-1)(0.6m)(120-20°C)=(1.56x10-5)(100)
• L=1.56x10-3m= 1.56mm• El aumento en la anchura de la placa
• De igual forma L=(2.6x10-5 °C-1)(0.4m)(120-20°C)=(1.04x10-5)(100)
• L=1.04x10-3m= 1.04mm
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DILATACIÓN DE LOS LÍQUIDOSLos líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos
Lo que interesa en los líquidos es su dilatación volumétrica (°C-1)
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EJEMPLOUn frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm3 a 0 °C, está completamente lleno de mercurio a tal temperatura. Cuando el conjunto se calienta hasta 100 °C, se derraman 15.0cm3 de mercurio.
• ¿Cuál fue la dilatación real del mercurio?• Como V = V0t y Hg= 1.82x10-4°C-1, entonces:• VHg = (1.82x10-4°C-1)(1000cm3)(100 °C) = (1.82x10-4)(1x105)= 1.82x10• VHg = 18.2 cm3
• ¿Cuál fue la dilatación real del frasco?• La dilatación aparente del mercurio está dada por la cantidad que se derramó, i.e.,
15cm3. Como la dilatación real fue de 18.2cm3, es obvio que la dilatación del frasco fue
• Vfrasco = 18.2-15.0 , por lo tanto: Vfrasco = 3.2 cm3
• ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación lineal del vidrio del cual está hecho el frasco?
• Como V = V0t, si despejamos , entonces obtenemos:
• Y sustituyendo valores tenemos: frasco = (3.2cm3)/(1000cm3)(100°C)• frasco = (3.2cm3)/(1x105°C.cm3), por lo tanto• frasco = 3.2x10-5°C-1
tV
V
frasco
frascofrasco
,0
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EL AGUA: UNA EXCEPCIÓN
El agua sufre un comportamiento contrario respecto de su dilatación en el rango de temperaturas de 0ºC a 4ºC. El agua se contrae cuando la temperatura sube en este tramo y se dilata si la temperatura disminuye en este tramo.
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SÍNTESIS DE LA CLASE
CalorCalorTemperaturaTemperatura
Utilizan escalasUtilizan escalas
KelvinKelvin
CelciusCelcius
RadiaciónRadiación
ConducciónConducción
ConvecciónConvección
Se transmite porSe transmite por
Se mide con Se mide con
TermómetrosTermómetros
Puede provocarPuede provocar una variación deuna variación de
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MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Los cambios de temperatura se miden a partir de los cambios en las otras propiedades de una sustancia, como ser: -termómetro
-calorímetro
**Termógrafo: instrumento que registra en forma continua la temperatura**
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Termómetro de mercurio para medir temperaturas en el rango que se encuentran comúnmente en la atmósfera.
Termómetro de máxima Los termómetros que miden la temperatura del cuerpo son de máxima.
Termómetro de mínima para medir la mínima diaria. Como los termómetros de alcohol.
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CALORIMETRÍA. Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor.
El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía.
**Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura**
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CONCEPTO DE CALORCONCEPTO DE CALOR
El calor se define como un tipo de energía, denominada “Energía Calórica”
Ahora, supongamos que tenemos 2 cuerpos A y B a diferente temperatura con
De acuerdo con esto, la energía cinética promedio de sus respectivas partículas es diferente.
A BT T
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Si ponemos estos 2 cuerpos en contacto, en un ambiente aislado, al cabo de cierto tiempo ambos cuerpos habrán igualado sus temperaturas.
Cuando esto ocurre, decimos que los cuerpos se encuentran en equilibrio térmico.
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¿QUÉ OCURRE ENTRE AMBOS CUERPOS ¿QUÉ OCURRE ENTRE AMBOS CUERPOS PARA QUE IGUALEN SUS PARA QUE IGUALEN SUS
TEMPERATURAS?TEMPERATURAS?Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas, igualan la energía cinética promedio de sus partículas, es decir intercambian energía.
El cuerpo que se encuentra a mayor temperatura, transfiere energía al cuerpo más “frío”. Hasta que ambos lleguen al equilibrio térmico.
Cuando un cuerpo “absorbe calor”, aumenta su energía térmica y por consiguiente, su temperatura. Cuando entrega o “cede calor”, la disminuye.
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Es una magnitud que nos permite estimar la cantidad de calor que absorbe una porción de una sustancia, cuando experimenta un aumento de su temperatura.
Supongamos que tenemos una sustancia de masa “m”. Si este cuerpo es puesto sobre una fuente de calor, absorberá cierta cantidad de calor Q, aumentando su temperatura desde un valor inicial hasta una valor final
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De forma experimental, se verifica que esta variación de temperatura es proporcional a la cantidad de calor absorbida, e inversamente proporcional a su masa. O sea:
Qc T
m
: Variación de Temperatura
: Cantidad de Calor cedido
: Masa del cuerpo
c : Constante de Proporcionalidad
f iT T T
Q
m
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De acuerdo con lo anterior, nuestra constante de proporcionalidad, la podemos expresar como:
Esta constante, se le denomina “calor específico” y es una constante que depende de la naturaleza de cada sustancia.
Corresponde a la cantidad de calor que se debe entregar a una unidad de masa de cierta sustancia, para que aumente su temperatura en 1°C.
Qcm T
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A partir de la relación anterior, podemos decir que el calor absorbido, está definido por:
Con esta relación, podemos hacer las siguientes observaciones:
Q m c T
Si 0 el cuerpo aumenta su temperatura, entonces absorbe calor 0T Q
Si 0 el cuerpo disminuye su temperatura, entonces cede calor 0T Q
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ALGUNOS VALORES DE CALOR ESPECÍFICO
SustanciaSustancia
Agua 1 4180
Aluminio 0,212 886
Cobre 0,094 393
Hierro 0,115 481
Mercurio 0,033 138
Plata 0,056 234
Estaño 0,055 230
Cinc 0,094 393
Vidrio 0,199 832
Latón 0,094 393
Plomo 0,031 130
Hielo 0,550 2299
c cal g C c J kg C
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CALOR LATENTE
sustancia Tf [°C] Lf [cal/g] Te [°C] Le [cal/g]
H20 0,00 79,71 100,00 539,60
O2 -219,00 3,30 -182,90 50,90
Hg -39,00 2,82 357,00 65,00
Cu 1083,00 42,00 2566,90
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El tipo de calorímetro de uso El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro la calorífica del calorímetro la cantidad de energía liberada cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmentepuede calcularse fácilmente.
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