Técnico en Montaje y Mantenimientode Instalaciones de Frío,
Climatización y Producción de Calor
1Conceptos Básicosde Termodinámica
FOR
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N P
RO
FESI
ON
AL
A D
ISTA
NC
IA
Uni
dad
CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO
MÓDULO
Máquinas y Equipos Frigoríficos
Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR
Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS Dirección: Dirección General de Formación Profesional.
Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente.
Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda
Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera
Autor: Javier Cueli Llera
Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias
Coordinación:
Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández
Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Laura Fernández Menéndez Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto
Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda
Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso
Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 84-690-1471-4 Depósito Legal: AS-0591-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.
Uni
dad Conceptos Básicos
de Termodinámica 1
3
Objetivos ...................................................................................................... 4
Conocimientos .............................................................................................. 5
Introducción.................................................................................................. 6
Contenidos generales..................................................................................... 6
Conceptos generales de termodinámica ......................................................... 7
Intercambio de calor...................................................................................... 25
Cambios de estado en la materia.................................................................... 31
Resumen de contenidos ................................................................................. 44
Autoevaluación ............................................................................................. 46
Respuestas de actividades .............................................................................. 48
Respuestas de autoevaluación........................................................................ 52
Sumario general
4
Módulo: Máquinas y EquiposFrigoríficos
Técnico en M
ontaje y M
antenim
iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:
Diferenciar entre presión absoluta, presión relativa y presión diferencial.
Analizar los distintos sistemas que se emplean para medir la temperatura.
Comparar las distintas formas de transmisión de calor.
Relacionar y manejar las distintas unidades de medida empleadas en los sistemas
de transmisión de calor.
Distinguir entre calor latente, calor sensible y específico.
Realizar un cálculo sencillo sobre la cantidad de calor que se debe aportar o extra-
er en un cuerpo para modificar su temperatura y/o realizar un cambio de estado.
Describir la influencia de la presión en la evaporación de un gas.
Interpretar el diagrama de saturación o vaporización de distintas sustancias.
Objetivos
Uni
dad Conceptos Básicos
de Termodinámica 1
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aCONCEPTOSS
• Conceptos generales: calor, frío, temperatura, presión, etc.
• Intercambio de calor: convección, conducción y radiación.
• Escalas de temperatura.
• Cambios de estado: calor sensible y calor latente. Calor específico.
PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS
• Resolución de problemas sencillos sobre cambios de unidades.
• Cálculo de las cantidades de calor necesarias para realizar cambios de estado y/o
variaciones de temperatura.
Conocimientos que deberías adquirir
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ducción de Calor
Contenidos generales
La técnica frigorífica está basada en ciertas propiedades físicas que debemos conocer.
∂Por qué no utilizamos agua para obtener temperaturas de -18 °C? ∂Cómo es posible mo-
dificar la temperatura de ebullición de una sustancia?
Para el estudio de la refrigeración y climatización, es importante conocer algunos prin-
cipios fundamentales de la física y la termodinámica, que veremos a lo largo de esta uni-
dad. Date cuenta de que por ejemplo, para reparar una avería, instalar un componente
en una máquina o interpretar un catálogo tendrás que medir y/o interpretar una serie de
parámetros, como la temperatura, la presión, º así como conocer en qué unidades pue-
de expresarse. Asimismo necesitarás saber cómo se transfiere el calor, ya que tu trabajo
está relacionado con hacer funcionar correctamente los aparatos que modifican la tem-
peratura del ambiente.
A lo largo de esta unidad aprenderás algunos de los conceptos termodinámicos necesa-
rios para comprender diversos aspectos de tu futuro trabajo, cómo se transfiere el calor, y
cómo calcular ese calor que es necesario transferir. Hemos incluido, para que veas un
sentido práctico de la unidad, distintos procedimientos para medir temperatura.
Introducción
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dad Conceptos Básicos
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En este capítulo nos vamos a centrar en describir las nociones básicas ter-modinámicas necesarias para poder comprender en las próximas unidades, el funcionamiento de los elementos del ciclo frigorífico. También haremos hincapié en la importancia de las unidades de medida. Para los que ya están familiarizados con estos conceptos, les servirá como repaso o material de referencia.
Presión
La presión es una magnitud física que se define como la fuerza por unidad de superficie.
)(m
(N) (Pa)
2SSSS
FFFFPPPP = (las unidades corresponden al Sistema Internacional)
El concepto de presión se aplica tanto a sólidos como a líquidos y gases. Ten en cuenta
que en cada uno de estos estados la presión se ejerce de forma diferente debido a que
son distintas las superficies de contacto entre los materiales y sus contenedores o sus
puntos de apoyo.
Observa la figura 1. En ella se representa cómo un bloque de hielo ejerce la presión so-
bre su base, el agua líquida sobre las paredes del recipiente que la contiene y el vapor en
todas las superficies de su contenedor.
Fig. 1: Dirección de la presión ejercida por sólidos, líquidos y gases.
Conceptos generales de termodinámica
Fig. 1. Presión del agua en estado sólido, líquido y vapor. Bloque de hielo Agua Vapor
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ducción de Calor
∂Conoces cuáles son las unidades más utilizadas para medir presiones? Fíjate en la si-
guiente tabla. En ella se recogen las empleadas con más frecuencia, así como sus equi-
valencias. Con esta información podrás hacer conversiones de unidades entre distintos
sistemas de medida.
SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONALNALNALNAL
SSSSISTEISTEISTEISTEMAMAMAMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N
OOOOTROS TROS TROS TROS SSSSISTEMASISTEMASISTEMASISTEMAS
PaPaPaPasssscalcalcalcal barbarbarbar psipsipsipsi kgf/cmkgf/cmkgf/cmkgf/cm2222 atmatmatmatm mm Hmm Hmm Hmm H2222OOOO mm Hgmm Hgmm Hgmm Hg
1 1 1 1 Pa (N/m(N/m(N/m(N/m2)))) 1 10-5 0,000145 1,02⋅10-5 9,87⋅10-6 0,102 0,0075
1 bar 1 bar 1 bar 1 bar (daN/cm(daN/cm(daN/cm(daN/cm2) ) ) )
105 1 14,5 1,02 0,987 10.200 750
1 psi1 psi1 psi1 psi 6.890 0,0689 1 0,0703 0,068 703 51,7
1 kgf/cm1 kgf/cm1 kgf/cm1 kgf/cm2222 98.100 0,981 14,2 1 0,968 10.000 736
1 atm 1 atm 1 atm 1 atm 101.325 1,01 14,7 1,03 1 10.300 760
1 mm H1 mm H1 mm H1 mm H2222OOOO 0,102 10.200 0,00142 0,0001 9,68⋅10-5 1 0,0736
1 mm1 mm1 mm1 mm HgHgHgHg 133 0,00133 0,0193 0,0136 0,00132 13,6 1
Tal vez no recuerdes cómo se utilizan los factores de conversión de unidades. Aquí tie-
nes un ejemplo.
Imagina que estás trabajando con un aparato de medida inglés y éste indica una presión
de 40 psi. Es posible que te resulte mucho más familiar la presión expresada en bares.
Para realizar la conversión utilizamos las equivalencias recogidas en la tabla anterior.
Observa que 0,0001450 psi equivalen a 10-5 bar. Aplicando pues el correspondiente fac-
tor de conversión, obtenemos el resultado buscado.
Y si ahora queremos conocer el valor en Pascales, ∂cómo lo calculamos?
40 psi⋅psi 0,0001450
bar 10 5−
= 2,75 bar
40 psi⋅psi 0,0001450
Pa 1=275.790 Pa
Tabla 1: Equivalencias entre unidades de presión.
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o Presión atmosférica, absoluta y relativa
Cuando hablamos de presión, manejamos diferentes términos: presión atmosférica, pre-
sión absoluta, presión relativa, presión diferencial... Veamos lo que significa cada uno de
ellos.
El concepto de presión atmosféricapresión atmosféricapresión atmosféricapresión atmosférica surge debido a la presión que ejerce la atmósfera
sobre la tierra. Se define como el peso de una columna de aire de sección 1 cm2 y que se
extiende desde la superficie de la tierra a nivel del mar hasta los límites superiores de la
atmósfera. Su valor es de aproximadamente 101.325 Pascales.
Para medir la presión atmosférica de forma experimental, se utiliza el barómbarómbarómbarómeeeetrotrotrotro.
Las unidades habituales de medida de presión atmosférica en otros sistemas son:
Atmósfera (atm).
Milímetros de mercurio (mm Hg).
La presión absolutapresión absolutapresión absolutapresión absoluta es la que se mide tomando como origen, es decir, como cero de pre-
sión, la correspondiente al vacío absoluto. En la escala de presión absoluta la presión
atmosférica tiene un valor de 1,013 bar, o lo que es lo mismo 101.325 Pascales. En la
figura 2 se representa de forma gráfica el fundamento del funcionamiento de un sensor
de presión durante la medida de presiones absolutas.
La presión relativa o normal presión relativa o normal presión relativa o normal presión relativa o normal mide la presión tomando como origen (como cero de la es-
cala) la presión atmosférica a nivel del mar. En la figura 3 se representa el funcionamiento
de un sensor de presión durante la medida de presiones relativas. Compárala con la figura
anterior.
Fig.2: Medida de la presión absoluta.
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ducción de Calor
La relación entre los tres tipos de presiones es la siguiente:
Para medir la presión relativamedir la presión relativamedir la presión relativamedir la presión relativa de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados se
utiliza el manómetromanómetromanómetromanómetro. Los manómetros indican pues la diferencia entre la presión absoluta en
un sistema y la presión atmosférica que actúa en el exterior del equipo de medida.
En la figura 4, puedes observar un manómetro convencio-
nal (4a), y un manómetro de frigorista (4b). Este último in-
corpora varias escalas de presión, habitualmente en psi y
bar, también una escala de temperatura, muy útil cuando
se está trabajando con refrigerantes, que permite conocer la
temperatura de evaporación o de condensación según la
presión que indique y el refrigerante que se este empleando.
P absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relaaaativativativativa
Fig. 4b. Manómetro de frigorista.
REFRIGERANTES
PRESI‡N
Fig. 3: Medida de la presión relativa.
Fig. 4a. Manómetro convencional.
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Otros términos muy utilizados cuando hablamos de presiones son presión manométrica y
presión de vacío.
• PPPPresión manométrica: resión manométrica: resión manométrica: resión manométrica: se aplica cuando la presión del sistema es mayor que la pre-
sión local atmosférica.
P manométrica (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) > 0
• Presión de vacío: Presión de vacío: Presión de vacío: Presión de vacío: se utiliza cuando la presión atmosférica es mayor que la del sistema.
P de vacío (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) < 0
Otro parámetro muy utilizado es la presión diferencial o dif presión diferencial o dif presión diferencial o dif presión diferencial o difeeeerencia de presión rencia de presión rencia de presión rencia de presión ∆∆∆∆PPPP, que mide la diferencia de presión entre dos puntos de una instalación.
∆P = P1 - P2
En ocasiones es muy útil conocer esta diferencia. Aquí tienes un ejemplo: cuando en un
filtro medimos la diferencia de presión y obtenemos un valor alto, quiere decir que el
filtro está ocluido o saturado. En la figura 5 se representa gráficamente el fundamento de
la medida de la presión diferencial.
ctiv
idad
aEl manómetro de la figura 4b no se encuentra conectado a ningún circuito, como puedes ver. Sin embargo, si te fijas, la aguja no está en el inicio de la escala. ∂Cómo explicas esto?
1
Fig. 5: Medida de la presión diferencial.
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Energía
La energía es la fuerza vital de la natu-
raleza, está presente en todos los pro-
cesos químicos, físicos, estructurales,
etc., que se dan en nuestro entorno y
que permiten el desarrollo de nuestras
actividades en las diferentes áreas de
trabajo. También se define, como la
capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un
trabajotrabajotrabajotrabajo. Todos los cuerpos, por el solo
hecho de estar formados de materia,
contienen energía. Además, la pueden
poseer adicionalmente debido a su
movimiento, composición química,
posición, temperatura y a algunas otras
propiedades. Así se habla de energía
cinética, química, potencial, térmica,
mecánica, eléctricaº
ctiv
idad
a Imagina que dispones de un manómetro conectado a un sis-tema de refrigeración y que marca 0,5 bar. ∂A qué tipo de pre-sión corresponde esta medida? ∂Cuál es la presión absoluta a la que se encuentra sometido el sistema?
2
Fig. 6: Formas de energía.
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En la refrigeración se deben tener en cuenta 3 formas comunes y relacionadas de energía:
Eléctrica.Eléctrica.Eléctrica.Eléctrica. Fluye hasta un motor eléctrico y lo hace funcionar.
Mecánica.Mecánica.Mecánica.Mecánica. El motor eléctrico transforma la energía eléctrica en mecánica y pone en movimiento un compresor.
Térmica.Térmica.Térmica.Térmica. Suele producirse habitualmente por una combinación de ambas energías. El compresor comprime el vapor a una presión y temperatura altas, y transforma la energía mecánica en térmica.
En la siguiente tabla se recogen las unidades de energía más utilizadas y sus equivalencias.
Otra unidad muy utilizada en refrigeración es la frigoría. La frigoríafrigoríafrigoríafrigoría es una unidad del sistema
técnico para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una caloría negativa. Se usa
en sistemas frigoríficos y aire acondicionado. También se utiliza la frigfrigfrigfrigooooría/horaría/horaría/horaría/hora que sirve
para expresar la potencia de un sistema de refrigeración.
SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA MMMMÉÉÉÉTRICOTRICOTRICOTRICO
CCCCONVENCIONVENCIONVENCIONVENCIOOOONALNALNALNAL
SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONANANANALLLL
SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA TTTTÉCNÉCNÉCNÉCNIIIICOCOCOCO
kfgkfgkfgkfg⋅⋅⋅⋅mmmm Julio (J) = NJulio (J) = NJulio (J) = NJulio (J) = N⋅⋅⋅⋅mmmm PiePiePiePie----libralibralibralibra
fuefuefuefuerrrrza (ftza (ftza (ftza (ft⋅⋅⋅⋅lbf)lbf)lbf)lbf) BtuBtuBtuBtu
CalCalCalCalooooría ría ría ría (cal)(cal)(cal)(cal)
FrigFrigFrigFrigooooríaríaríaría
0,102 1 0,7376 9,48⋅10-4 0,24 0,24
0,427 4,186 3,087 0,004 1 1
107,51 1.054 778 1 252 252
∂Sabías que los seres vivos, como el ser humano, necesitan energía para poder
sobrevivir? Nos alimentamos para obtener la energía que nos permita desarrollar
las funciones vitales. Por eso hablamos de las calorías que tiene la comida, se
refiere a la cantidad de energía que nos aporta. Una mujer de tipo medio precisa
1.800 calorías al día y un hombre 2.100.
Tabla 2: Unidades más importantes de energía.
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Potencia
La potencia se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.
(s)
(J) (w)
ttttPPPP
EEEE= (las unidades corresponden al Sistema Internacional)
Las unidades de medida de potencia más utilizadas y sus equivalencias son las siguientes:
SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA MMMMÉTRÉTRÉTRÉTRIIIICO CO CO CO
CCCCONVENCIONVENCIONVENCIONVENCIOOOONALNALNALNAL SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA
IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONALNALNALNAL SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA TTTTÉCNÉCNÉCNÉCNIIIICOCOCOCO
kfgkfgkfgkfg⋅⋅⋅⋅m/sm/sm/sm/s kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kJ/s = J/s = J/s = J/s =
NNNN⋅⋅⋅⋅m/sm/sm/sm/s PiePiePiePie----libra fuelibra fuelibra fuelibra fuerrrrza por za por za por za por
segundo (ftsegundo (ftsegundo (ftsegundo (ft⋅⋅⋅⋅lbf/s)lbf/s)lbf/s)lbf/s) Caballo Caballo Caballo Caballo
fuefuefuefuerrrrza (HP)za (HP)za (HP)za (HP) Caballo de vCaballo de vCaballo de vCaballo de vaaaapor por por por
(C(C(C(CV) V) V) V)
102 1 737,6 1,340 1,360
76,07 0,746 550,2 1 1,013
74,868 0,735 541,4 0,986 1
Tabla 3: Unidades más importantes de potencia.
Observa que la unidad recogida en la tabla 3 para el SI es el kilovatio,kilovatio,kilovatio,kilovatio, ya que, como suele
haber valores grandes de potencia, el vatio se queda pequeño y es más cómodo utilizar
este múltiplo suyo.
Seguro que cuando hablas de un coche haces referencia a cuántos caballos tiene.
Te estás refiriendo a su potencia, son caballos de vapor.
ctiv
idad
a Un aparato comercial de aire acondicionado doméstico posee una capacidad de enfriamiento de 2.500 kilofrigorías/hora. ∂De cuánta potencia estamos hablando en kilovatios?
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Calor y frío
El calocalocalocalorrrr se define como una forma de energía asociada al movimiento de las partículas que
forman la materia. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferen-
cia de parte de dicha energía interna (térmica) de un sistema a otro, con la condición de que
estén a diferente temperatura. Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámi-ca, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se
equilibra. El calor siempre fluye de la sustancia más caliente a la más fría, puede ser ge-
nerado por reacciones químicas, nuclearesº y transferido entre objetos por diferentes me-
canismos.
A todos los efectos las unidades de calorunidades de calorunidades de calorunidades de calor son las de energía.energía.energía.energía. Las más utilizadas son la
caloríacaloríacaloríacaloría y el Julio Julio Julio Julio junto con sus múltiplos, la kilocaloría y el kilojulio. Vuelve a consultar
la tabla 2 de esta unidad y comprueba cuáles son sus equivalencias.
Otro de los términos utilizados en termodinámica es el de frío.frío.frío.frío. El frío por definición no existe,
simplemente es la ausencia de calor. Es la energía extraída en forma de calor de un sistema,
cuando su temperatura está por debajo de la de su entorno.
Temperatura
La temperatura mide la intensidad o el nivel de calor de una sustancia, es decir, lo caliente o frío
que está.
Las unidades de temperatura son:
KelvinKelvinKelvinKelvin (K) en el SI.
Celsius o CentígradoCelsius o CentígradoCelsius o CentígradoCelsius o Centígrado (°C) en el sistema métrico.
FahrenheitFahrenheitFahrenheitFahrenheit (°F) en el sistema anglosajón.
Fíjate en el siguiente cuadro. En él
se recogen las equivalencias entre
los distintos sistemas de unidades
de temperatura. Esta información te
será muy útil para expresar tempe-
raturas en distintas unidades.
°C → °F °F = (1,8 °C) +32
°F → °C °C = (°F √ 32)⋅ 0,55
°C → K K = 273 + °C
K → °C °C = K - 273
°F → K K = 255,23 + ( 0,55⋅ °F)
K → °F °F = 1,8 K √ 459,4
Tabla 4: Equivalencias entre unidades de temperatura.
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ducción de Calor
La temperatura se mide mediante un termómetro. Los termómetros pueden estar gradua-
dos en cualquiera de las tres escalas de temperatura que ya hemos visto. Las tres, Celsius,
Kelvin y Fahrenheit, utilizan dos puntos básicos de referencia: cuando el agua empieza a
congelarse y cuando empieza a hervir. En la figura 7 se muestra la relación entre ellas.
Si observas la figura anterior, comprobarás que tanto en el termómetro graduado en Kelvin
como en el Celsius, 100 intervalos de temperatura corresponden a una diferencia de
100 grados, aunque el valor de temperatura que indica cada termómetro es diferente.
ctiv
idad
a En un canal de televisión han dicho que en Nueva York está nevando y que la temperatura es de 30 grados. ∂Cómo es po-sible esto?
4
Fig. 7: Comparación de escalas termométricas.
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Vamos a comprobar ahora con un ejemplo que los incrementos de temperatura en grados Kel-
vin y centígrados coinciden. Veamos primero cuál es el incremento de temperatura, ∆T, al
pasar de 30 °C a 250 °C.
∆T =250 °C - 30 °C = 220220220220
Si convertimos ahora las temperaturas inicial y final en grados Kelvin y calculamos de
nuevo el incremento de temperatura comprobaremos que ambos coinciden.
250 °C + 273= 523 K
30 °C + 273 = 303 K
∆T = (523-303) K = 220220220220
Esta relación es muy importante ya que las diferencias de temperatura suelen expresarse
en K y no en °C, puesto que coinciden. Observa como al hablar del diferencial de un
termostato aparece en K y no en °C. Con frecuencia se habla de que el diferencial de un
termostato es de 5K, o de un recalentamiento de 3K en una máquina frigorífica.
TTTTERMOSTATO CON ERMOSTATO CON ERMOSTATO CON ERMOSTATO CON AAAAJUSTE POR LA JUSTE POR LA JUSTE POR LA JUSTE POR LA PPPPARTE ARTE ARTE ARTE SSSSUPERIORUPERIORUPERIORUPERIOR
Escala de Ajuste Tipo
Punto de Ajuste Superior (°C) Diferencial ∆T (K)
Termostatos sin conmutador selector
1 -30º +15 1,5º 16
2 -30º +15 Cada 2,5 fijo
Contactos de baja temperatura
3 -10º+35 1,5º16
4 -45º-10 1,5º 16
Una diferencia de temperatura de un Kelvin equivale a una diferencia de tem-
peratura de un grado centígrado.
Observa como en el catálogo aparece el diferencial en K.
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o Tipos de termómetro
Existen distintos tipos de termómetros utilizados a nivel industrial, aparte del tradicional ter-
mómetro de mercurio que seguro que has utilizado alguna vez para medir la temperatura cor-
poral. Veamos cuáles son los más habituales.
A. Termómetro de bulbo
Estos medidores se basan en el aumento de presión que experi-
menta un fluido cuando aumenta la temperatura. Consisten en
un depósito o bulbo conectado mediante un capilar a un tubo en
espiral que se encuentra en el interior del manómetro. Cuando la
temperatura del bulbo aumenta, el gas o líquido que lleva en su
interior intenta expandirse, haciéndose mayor la presión que
ejerce sobre las paredes del tubo. Debido a esta presión, la
espiral se desenrolla y mueve un índice o aguja, que marca
la temperatura.
Se emplean para realizar mediciones a nivel local, poniéndo-
los en contacto con la superficie a medir.
Fig.8: Termómetro de bulbo.
BULBO
CAPILAR
ctiv
idad
a El cero absoluto de temperatura es la temperatura teórica más baja posible, y se alcanza cuando ya no queda más calor en una sustancia. El cero absoluto corresponde a 0 grados Kelvin. ¿A cuántos ºC y ºF equivale?
5
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B. Medidores de temperatura de contacto
Estos termómetros determinan la temperatura colocando el aparato sobre la superficie
cuya temperatura se quiere medir. Pueden determinar temperaturas entre -200 y +1.767 °C.
En tu trabajo probablemente utilizarás alguno de los que se describen a continuación:
Termorresistencia.Termorresistencia.Termorresistencia.Termorresistencia. Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al va-
riar la temperatura. Las de uso más común se fabrican de alambres finos soporta-
dos por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se in-
serta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo, que se
llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba
humedad. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con
cable común de cobre. La magnitud de la corriente de medición de una termorre-
sistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá
como un error de medición.
Podríamos realizar distintas clasificaciones de las termorresistencias. Inicialmente
podríamos hablar de:
• PTC: PTC: PTC: PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.
• NTC: NTC: NTC: NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia.
Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así
tenemos, entre otras:
• Pt 100:Pt 100:Pt 100:Pt 100: Son termorresistencias de platino. Tienen un valor de 100 Ω a 0 °C. Son
las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables,
ya que es difícil que se contaminen con el medio en que se encuentran. Además
su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro mate-
rial (con la excepción del cobre).
Fig. 9. Ejemplo de NTC.
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En la figura siguiente aparece la curva de una Pt 100.
• Ni 500: Ni 500: Ni 500: Ni 500: Termorresistencia de níquel con un valor de 500 Ω a 0°C.
Nuestro problema no es decidir que tipo de termorresistencia debemos utilizar para
cada aplicación, sino seleccionarla correctamente según las características técnicas
del instrumento de medida: numero de hilos, tipo de encapsulado, etc. Observa el
esquema eléctrico de la figura siguiente correspondiente a un programador electró-
nico en el que aparecen distintas alternativas para la sonda de temperatura.
Fig. 10: Curva de una resistencia Pt 100.
Fig. 11: Esquema de conexiones de un controlador (Eliwell).
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21
En la figura 12 puedes ver una Pt con el conversor de señal sin integrar (a) e integrado (b).
La termorresistencia necesita un dispositivo para ≈interpretar∆ a que valor de temperatura
corresponde el valor de dicha termorresistencia. Así mismo, suele ser necesario transmitir
la señal a distancias que pueden ser largas, por lo que es preciso convertir la señal de la
termorresistencia en una señal de voltios o mA. Generalmente se suelen utilizar los valores
0 √ 10 Voltios, 0 √ 20 mA ó 4 √ 20 mA.
En la siguiente fotografía se muestra el aspecto de una Pt 100 sin conectar y su
apariencia una vez conectada.
Fig. 10.
Fig. 12. Termorresistencias de platino.
Fig. 13. Termorresistencia Pt 100 instalada.
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Las señales de 4 √ 20 mA no sólo se emplean con las sondas de temperatura sino que
también son muy utilizadas con los transmisores de presión, como veremos posterior-
mente. En la figura aparece la señal procedente de un transmisor de presión con un rango
comprendido entre 0 y 30 bar.
Termopar. Termopar. Termopar. Termopar. Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la
fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales dis-
tintos. No mide temperaturas absolutas, sino la diferencia entre el extremo caliente
y el frío. Los termopares son muy usados como sensores de temperatura. Son bara-
tos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio
rango de temperaturas.
Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los ma-
teriales que contienen. El más utilizado en el mundo de la refrigeración es el ter-
mopar tipo T (Cu-Constantan).
Fig. 15. Fundamento del funcionamiento de un termopar.
Fig. 14: Señal correspondiente a un transmisor de presión.
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23
Observa ahora la gráfica 16 y la tabla que
está a continuación y compara los rangos de
aplicación y las condiciones generales de
uso de termorresistencias y termopares.
UUUUTILIZACI‡N DETILIZACI‡N DETILIZACI‡N DETILIZACI‡N DEºººº
Pt100Pt100Pt100Pt100 TermoparTermoparTermoparTermopar
Cuando se requiere alta precisión Cuando el lugar de medida requiere un termómetro muy pequeño o delgado (<1mm)
Cuando la temperatura está por debajo de 400 °C
Cuando la temperatura excede de 400 °C
Cuando no se requiere un tiempo rápido de respuesta
Cuando se requiere un tiempo de respuesta rápido
Cuando no se esperan choques ni vibraciones
Cuando se esperan choques o vibraciones
Cuando se quieren evitar los problemas eléctricos
Cuando se necesita una longitud específica de inmersión
Fig. 16: Rango de temperaturas de uso de termorresistencias-termopares.
Tabla 5: Aplicaciones de termorresistencias y termopares.
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C. Medidores de temperatura sin contacto
Un medidor de este tipo es el termómetro por infrarrojos. Su fun-
cionamiento se basa en la medición de la radicación infrarroja
emitida por un cuerpo para determinar su temperatura.
Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefac-
ción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en
trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones
difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas.
Generalmente poseen un rayo de luz piloto para indicar el centro
del punto de medida. En superficies brillantes o pulidas, sólo se
podrán utilizar para determinadas tendencias de temperatura. No
es posible en estos casos realizar mediciones absolutas. Son muy
cómodos de utilizar, pero más caros que los de contacto.
Fig. 17: Termómetro por infrarrojos.
ctiv
idad
a ∂Existe alguna temperatura en la que marquen lo mismo un termómetro graduado en la escala Celsius y otro graduado en la escala Fahrenheit?
6
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de Termodinámica 1
25
En el capítulo anterior hemos visto algunas de las principales propiedades ter-modinámicas de la materia, como el calor. Vamos a estudiar ahora cómo se transfiere el calor entre diferentes sustancias, algo que nos es familiar, ya que por ejemplo, echamos leche fría en el café caliente para enfriarlo, o en invierno nos abrigamos para no pasar frío. Estos son algunos ejemplos cotidianos de transferencias de calor, un fenómeno muy presente en el mundo de las climati-zaciones.
La transferencia de calor
La transferencia de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos,
o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
Existen tres formas de transmisión de calor:
Convección.Convección.Convección.Convección.
Radiación. Radiación. Radiación. Radiación.
Conducción. Conducción. Conducción. Conducción.
Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que
uno de ellos predomine sobre los otros dos.
Intercambio de calor
El calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción.
El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se
calienta en gran medida por convección.
La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por
radiación.
Ejemplos
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Vamos a ver a continuación en qué consiste cada uno de los mecanismos de transmisión
de calor.
o Convección
Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi
seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndo-
se calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fe-
nómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característi-
co de líquidos y gases.
El movimiento del fluido puede ser:
Natural.Natural.Natural.Natural. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el fluido
se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende,
mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina con-vección natural.
Supón que calentamos una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se
calienta por el calor que se ha transmitido a través de la cacerola. Al expandirse, su
densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del
fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación
en el seno del líquido. El líquido más frío situado abajo vuelve a calentarse e inicia su
ascensión, mientras que el líquido más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor
cediéndolo al aire situado por encima, enfriándose y volviendo a descender. Y así con-
tinuamente.
Este fenómeno también determina el movimiento de las grandes masas de aire so-
bre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes y las co-
rrientes oceánicas.
En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convec-
ción natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los
radiadores de la calefacción por gas natural que muchos de nosotros tenemos en
casa.
ForzadForzadForzadForzadoooo.... En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El mo-
vimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico, como una
bomba o un ventilador.
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27
Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos
convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente.
Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que
incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en
espacios reducidos, como puede ser en un baño.
La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en
la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convec-
ción forzada, tal como se indica en la figura adjunta.
ctiv
idad
a ∂Cómo crees que afectan las corrientes naturales de convección en una habitación calefactada mediante un radiador al calentamiento de la estancia? ∂Qué ocurre si colocamos un ventilador frente al radiador? ∂Y si situamos el termostato muy cerca del techo o del suelo?
7
Fig. 18: Evaporadores de convección forzada y de convección natural.
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o Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es
la conducción, que es un mecanismo de transferencia de
energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto
directo de sus partículas, que tienden a igualar su tempe-
ratura o estado de excitación térmica. Si se calienta un
extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más
frío por conducción.
La conductividad térmicaconductividad térmicaconductividad térmicaconductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de
conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en cuerpos continuos, y baja
en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio,
que se denominan por eso aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conduc-
tor de calor, no lo transmite sino que nos protege de perderlo. Por eso no deja escapar el
calor que tenemos en nuestro cuerpo, y nos aísla de las corrientes de convección que nos
lo pudieran robar.
o Radiación
Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absolu-
to, emitenemitenemitenemiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándo-
se y calentando otros cuerpos. También los cuerpos son capaces de absorberabsorberabsorberabsorber radiación
de un cuerpo que esté a temperatura mayor, calentándose. Cuando se alcanza el equili-
brio térmico, las velocidades de emisión y absorción son iguales.
Fig. 19. A través de los sólidos el calor se transmi-te por conducción.
∂Sabías que debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo, y los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo para que la eficiencia sea máxima?
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Un cuerpo negrocuerpo negrocuerpo negrocuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía que incide sobre
él. Ninguna parte de la radiación que llega hasta él es reflejada o pasa a su través. Como
estos cuerpos no reflejan la luz, se ven negros, de ahí su nombre. ∂Nunca has oído decir
que en verano hay que ponerse ropa blanca porque es mucho más fresca? Es debido a
que la ropa oscura absorbe toda la radiación, mientras que la blanca la refleja.
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un me-
dio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por ra-
diación es la más rápida.
∂Sabías que a temperaturas ordinarias los cuerpos se ven por la luz que refle-
jan, no por la que emiten? Eso es lo que ocurre con la Luna, que la vemos gra-
cias al reflejo de la luz del Sol. Sin embargo a temperaturas altas, los cuerpos
son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros.
Ejemplo
Cuando la radiación solar llega a la superficie de la
Tierra, le aporta energía que eleva su temperatura. La
energía absorbida es emitida luego como radiación
infrarroja. Sin embargo, no toda esta radiación vuel-
ve al espacio, ya que alrededor de un 90% es absor-
bida por la atmósfera, provocando un fenómeno
similar al que mantiene la temperatura cálida en el
interior de un invernadero. De este modo, el equili-
brio térmico se establece a una temperatura superior
a la que se obtendría sin este efecto.
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∂Sabías que la importancia de los efectos de absorción y emisión de radiación en la atmósfera son fundamentales para el desarrollo de la vida tal y como se conoce? De hecho, si no existiera este efecto la temperatura media de la Tierra sería entre 30 y 40 °C más baja, situándose a casi 20 °C bajo cero.
ctiv
idad
a El cuerpo humano dispone de mecanismos de generación de calor y, a su vez, está sometido a un intercambio térmico con el ambiente que le rodea, con el fin de mantener la tempera-tura corporal dentro de unos límites.
∂Cuáles crees que son los mecanismos de intercambio para lograrlo?
8
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Cambios de estado en la materia
Seguro que ya sabes que la materia puede ser sólida, líquida o gaseosa. Si no, piensa en el agua, el hielo y el vapor de agua, es la misma sustancia que se presenta de forma diferente en función de la temperatura. Para poder modificar la temperatura y conseguir cambios de estado, hemos de transferir calor por alguno de los métodos expuestos en el capítulo anterior. Ahora veremos cómo ocurre.
Las sustancias existen en tres estados, en función de su temperatura, presión y contenido
térmico:
Sólido:Sólido:Sólido:Sólido: cualquier sustancia física que conserva su forma incluso aunque no esté
dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de moléculas, todas exacta-
mente con el mismo tamaño, masa y forma. Están en la misma posición relativa
unas de otras, pero aún así, pueden vibrar. Esta velocidad de vibración dependerá
proporcionalmente de la temperatura, a mayor temperatura, mayor vibración, y vi-
ceversa. Las moléculas se atraen fuertemente entre sí y es necesaria mucha fuerza
para poder separarlas. Son propiedades características de un sólido su rigidez, su
dureza y su resistencia.
Líquido:Líquido:Líquido:Líquido: es cualquier fluido cuyo volumen se mantiene constante en condiciones
de temperatura y presión también constantes. Su forma está definida por su conte-
nedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos
los lados. Las moléculas se atraen entre sí con una fuerza menor que en los sólidos.
El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy fre-
cuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no
tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene.
¿Sabías que el vidrio a temperaturas normales no es un sólido sino un líquido supercongelado?
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Gas:Gas:Gas:Gas: es un fluido que no tiene forma ni volumen fijo. Las fuerzas que mantienen
unidas las partículas son muy pequeñas, así como el número de partículas por
unidad de volumen. Las partículas se mueven libremente de forma desordenada,
con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene, de modo
que ocupan todo el espacio disponible. Al aumentar la temperatura las partículas
se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipien-
te, por lo que aumenta la presión.
El agua a presión atmosférica estándar y temperaturas bajo cero es un sólido (hielo). Entre
0 °C y 100 °C es un líquido (agua), y a partir de 100 °C es un gas (vapor).
ctiv
idad
a Clasifica las siguientes características según se correspondan a sóli-
dos, líquidos o gases:
a. Volumen constante.
b. Volumen variable.
c. Dureza.
d. Forma fija.
e. Forma variable.
f. Partículas ordenadas en posiciones fijas.
g. Partículas próximas con movimiento libre.
h. Partículas distantes con movimiento libre.
i. Expansibles.
9
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La mayoría de las sustancias cambian de estado físico cuando absorben o eliminan calor:
Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:
• Que los sólidos se conviertan en líquidos: fusión.fusión.fusión.fusión.
• Que los sólidos se conviertan gases, sin pasar por líquido: sublimación.sublimación.sublimación.sublimación.
• Que los líquidos se conviertan en gases: vaporizvaporizvaporizvaporizaaaación.ción.ción.ción.
Eliminar calor provEliminar calor provEliminar calor provEliminar calor provoca:oca:oca:oca:
• Que los gases se conviertan en líquidos: condenscondenscondenscondensaaaación.ción.ción.ción.
• Que los líquidos se conviertan en sólidos: solidificsolidificsolidificsolidificaaaación.ción.ción.ción.
• Que lo gases se conviertan en sólidos, sin pasar por líquido: sublimación isublimación isublimación isublimación innnnversa.versa.versa.versa.
Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la tem-
peratura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones
cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transi-
ción, el proceso se denomina liculiculiculicueeeefacción.facción.facción.facción.
Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y
presión para cualquier sustancia dada. Puedes ver en la figura siguiente cómo el agua
pasa de sólido a vapor, y cómo se representan en un gráfico Temperatura-Calor estos
cambios.
Fig. 20. Cambios de estado de la materia.
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Las temperaturas a las que se producen estos cambios tienen un nombre concreto y se
denominan:
Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado lí-
quido. También se llama punto de fusión.
Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor.
También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación.
Temperatura de condensación.Temperatura de condensación.Temperatura de condensación.Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado
líquido. También se llama temperatura de saturación.
Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido cambia al es-
tado sólido.
T fusión = T solidificación
T ebullición = T condensación
Recuerda que a presión constante:
T fusión = T solidificación
T ebullición = T condensación
Fig. 21. Cambios de estado del agua.
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35
El diagrama de saturación o de vaporización
La temperatura de saturación de las sustancias varía de unas a otras, y a su vez en fun-
ción de la presión.
El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar,
es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión disminuye la temperatura de
saturación o de vaporización.
¿Sabías que a la altura del nivel del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera
y la temperatura de ebullición del agua en un recipiente abierto es de 100 °C?
PPPPDADESDADESDADESDADES. . . . DEL AGUADEL AGUADEL AGUADEL AGUA PPPPTOTOTOTO. . . . DE EBULLDE EBULLDE EBULLDE EBULLIIIICI‡NCI‡NCI‡NCI‡N P P P P VAPORVAPORVAPORVAPOR
A nivel del marA nivel del marA nivel del marA nivel del mar 100 °C 1.013 mbar
(1 atm)
A 3.000 mA 3.000 mA 3.000 mA 3.000 m 89 °C 675 mbar
(0,666 atm)
Sin embargo, a mayor altitud la presión
atmosférica es menor y la temperatura a
la que hierve el agua disminuye. Por ello,
si nos pusiéramos a cocer alimentos en
un recipiente abierto a 3.000 m de altura,
podríamos tardar incluso días, ya que el
agua comenzaría a hervir a una tempera-
tura mucho menor de 100 °C, se conver-
tiría en vapor y no alcanzaríamos la tem-
peratura suficiente para lograr una coc-
ción relativamente rápida.
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Para mostrar la información relativa a presiones y temperaturas se utiliza el diagrama de
saturación de cada sustancia. A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra el
correspondiente al refrigerante R-22.
Estos diagramas permiten obtener mucha información (consulta las figuras 22 y 23 a me-
dida que vayas leyendo el texto):
Conocer el estado físicoConocer el estado físicoConocer el estado físicoConocer el estado físico de una sustancia. Supón unos valores concretos de tempe-
ratura y presión:
• Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la
curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en la figura
22 y punto A en la figura 23a).
• Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2 en
la figura 22 y punto C en la figura 23a).
• Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está
saturada (punto 3 en la figura 22 y punto B en la figura 23a).
Obtener la temperaturaObtener la temperaturaObtener la temperaturaObtener la temperatura de saturación de saturación de saturación de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta
temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión y
la curva de saturación (T1 en la figura 23b).
Obtener la presiónObtener la presiónObtener la presiónObtener la presión de saturaciónde saturaciónde saturaciónde saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la co-
rrespondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura y la curva de satu-
ración (P2 en la figura 23b).
Fig. 22: Diagrama de saturación del R-22.
Uni
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37
La presión a la que, para cada temperatura dada, las fases líquida y vapor se encuentran
en equilibrio se denomina presión de vaporpresión de vaporpresión de vaporpresión de vapor o más comúnmente presión de saturaciónpresión de saturaciónpresión de saturaciónpresión de saturación.
Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan
ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la
curva (por ejemplo el punto 3 en la figura 22).
En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representati-
vo en el diagrama. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que
puede ser alguno de los siguientes:
Líquido saturado.Líquido saturado.Líquido saturado.Líquido saturado. Surge cuando se aplica calor adicional a un líquido, provocando
la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la sobre la sobre la sobre la
cucucucurrrrvavavava de saturación.
Vapor saturado.Vapor saturado.Vapor saturado.Vapor saturado. Se forma cuando la temperatura de un vapor disminuye a la
temperatura de saturación. El enfriamiento del vapor provoca la condensación
de una parte de él. El punto representativo se encuentra también sobre la curva sobre la curva sobre la curva sobre la curva de
saturación.
Vapor Vapor Vapor Vapor sobrecalentado.sobrecalentado.sobrecalentado.sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por
encima de la temperatura de saturación. Para sobrecalentar un vapor, es necesario
separar el vapor del líquido, estará saturado. El punto correspondiente en el diagrama
de saturación estaría situado por debajo de la curvadebajo de la curvadebajo de la curvadebajo de la curva (punto 2 en la figura 22).
Líquido subenfriado.Líquido subenfriado.Líquido subenfriado.Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo
que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama
estaríamos situados por encima de la curvapor encima de la curvapor encima de la curvapor encima de la curva (punto 1 en la figura 22).
Fig. 23: Obtención de valores en el diagrama de saturación.
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Tipos de calor
El calor que recibe o que cede un cuerpo puede dar lugar a un cambio de temperaturacambio de temperaturacambio de temperaturacambio de temperatura o
a un cambio de estado.cambio de estado.cambio de estado.cambio de estado. La energía térmica relacionada con cada uno de estos fenómenos
tiene un nombre específico, y así hablamos de calor latentecalor latentecalor latentecalor latente y ccccalor sensible. alor sensible. alor sensible. alor sensible. A continua-
ción se explica cómo se define y se calcula cada uno de ellos.
o Calor latente
Cuando un cuerpo absorbe calor bajo ésta forma (o se le suministra) su temperatura permantemperatura permantemperatura permantemperatura permaneeeecececece
constante constante constante constante produciéndose un cacacacammmmbio de estado físico.bio de estado físico.bio de estado físico.bio de estado físico.
Así, por ejemplo, mientras el agua está hirviendo la temperatura permanece constante (100 °C
a nivel del mar) mientras exista una mezcla de líquido y agua que se vaporiza.
Latente en latín quiere decir escondido. El calor latente se llama así porque no se manifiesta
explícitamente, la temperatura no varía durante el cambio de estado.
ctiv
idad
a a) Con ayuda de la gráfica de la figura 22 determina cuál es la
temperatura de saturación correspondiente a la presión de 10 bar.
b) Para 0 °C y 20 bar, ∂en qué estado físico se encuentra la sus-tancia?
10
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El calor latente necesario para provocar un cambio de estado varía con cada sustancia.
Fíjate en los ejemplos recogidos en la tabla siguiente:
A. ∂Cómo se calcula el calor necesario para lograr un cambio de estado?
La cantidad de calor que se debe añadir o eliminar de una masa de material dada para
provocar su cambio de estado se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Siendo:
QQQQLLLL = cantidad de calor absorbida o eliminada por la materia.
mmmm = masa de la sustancia.
LLLL = calor latente de la sustancia.
Vamos a aplicar esta fórmula para calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, necesa-
ria para vaporizar 10 kilogramos de agua que se encuentran a 100 °C.
QL= m ⋅ Lv = 10 kg ⋅ 539 kcal/kg = 5.390 kcal
CCCCALOR LATENTE ALOR LATENTE ALOR LATENTE ALOR LATENTE
AguaAguaAguaAgua 539 kcal/kg - 2.257 kJ/kg
AmoníacoAmoníacoAmoníacoAmoníaco 327 kcal/kg - 1.369 kJ/kg
RRRR----22222222 52 kcal/kg - 217 kJ/kg
Tabla 6: Calor latente de vaporización (Lv) de algunas sustancias.
QL = m ⋅ L
∂Sabías que el proceso que ocurre en un botijo es una refrigeración mediante
evaporación?
Es muy simple, cuando el agua se evapora necesita energía para que se produz-
ca el cambio de estado de líquido a gas. Esa energía puede tomarla del ambien-
te, pero también del propio sistema, en este caso del agua. Así cuando se eva-
pora una parte de agua, a través de los poros del botijo, extrae energía del sis-
tema y por tanto en el agua remanente disminuye la temperatura.
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El calor latente depende de la transformación que se vaya a producir en la materia de la
que este formado el cuerpo. Así podemos hablar de:
•••• Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: cantidad de calor que se debe extraer a 1 kg de un
cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura.
•••• Calor latente de fusCalor latente de fusCalor latente de fusCalor latente de fusión: ión: ión: ión: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo
para hacerlo pasar del estado sólido al estado líquido sin aumentar su temperatura.
•••• Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un
cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura.
o Calor sensible
Se llama sensible al calor evidente al tacto, el que sentimos y medimos con un termóme-
tro. Este calor provoca, tanto si se añade como si se retira, un cambio en cambio en cambio en cambio en la temperla temperla temperla temperaaaatura tura tura tura
de la sustancia.de la sustancia.de la sustancia.de la sustancia. En este caso no existe cambio de estadono existe cambio de estadono existe cambio de estadono existe cambio de estado de la sustancia. La cantidad de
calor intercambiada depende de la variación de temperatura y del calor específico del
cuerpo.
Se define el calor específicocalor específicocalor específicocalor específico de un cuerpo como la cantidad de calor que debe suminis-
trarse a un cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico.
Sus unidades son J/kg K en el Sistema Internacional, aunque es muy frecuente emplear la
cal/g °C.
El calor específico del agua es 1 cal/g °C, es decir, hay que suministrar una caloría a un
gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Cada sustancia tiene
su propio calor especifico; en la tabla 7 tienes algunos ejemplos.
CCCCALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICO
Agua 4,187 kJ/kg K - 1 cal/g °C
Hielo 2,110 kJ/kg K - 0,504 cal/g °C
Madera 1,369 kJ/kg K - 0,327 cal/g °C
Hierro 0,54 kJ/kg K - 0,129 cal/g °C
Cobre 0,398 kJ/kg K - 0,095 cal/g °C
Tabla 7: Calor específico de distintas sustancias.
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A. ∂Cómo calcular el calor necesario para lograr un aumento determinado de temperatura en una sustancia?
Para calcular la cantidad de calor que se debe añadir o eliminar para provocar un cam-
bio específico en la temperatura de una materia, se utiliza la siguiente fórmula:
Siendo:
QQQQSSSS = cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia.
mmmm= masa de la sustancia.
cccc = calor específico de la sustancia.
tttt2222 = temperatura final.
tttt1111 = temperatura inicial.
Analiza el siguiente ejemplo. Vamos a calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, que
debe añadirse para calentar un bloque de cobre de 20 kilogramos desde 30 °C a 250 °C.
Necesitamos conocer el calor específico del cobre. Si consultamos la tabla 7, compro-bamos que:
Ccobre = 0,095 kcal/kg ⋅ °C
Aplicamos directamente la fórmula Qs = m⋅c⋅(t2 - t1)
Qs= 20 kg ⋅ 0,095 kcal/kg⋅ °C⋅(250-30) °C = 418 kcal
Para el caso de los alimentos existen tablas donde aparecen los datos necesarios para
calcular la cantidad de calor que es necesario extraer de los mismos para modificar su
temperatura y/o lograr un cambio de estado.
En la tabla 8 tienes un ejemplo de presentación para algunos alimentos:
Fíjate como aparecen los datos de calor latente, calor específico, calor de respiración,
humedad relativa, º Todos estos datos resultan de interés a la hora de proyectar una
instalación para el almacenamiento de alimentos. Si por ejemplo se trata de almace-
nar carne fresca, la humedad relativa de la cámara es muy baja, la carne pierde agua
y, por tanto,peso, resultando una pérdida económica importante para el propietario
de la instalación.
QS = m ⋅ c⋅ (t2-t1)
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Tabla 8: Datos relativos a algunos alimentos.
a
ctiv
idad
a Calcula el calor necesario que se debe extraer para conser-var 250 kg de uvas durante 24 horas, sabiendo que entraron en la cámara a una temperatura de 14 ≥C.
11
1
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43
o Gráficos Temperatura -Calor
Los cambios de temperatura y
de estado pueden representarse
en gráficas similares a la ilus-
trada en la figura 24. En ella se
representa la temperatura frente
al calor. Puedes comprobar que
cuando sube la temperatura no
hay cambio de estado y que
cuando hay cambio de estado,
la temperatura permanece
constante. También se indica
gráficamente cuál es el calor
sensible y cuál el latente.
a
Fig. 24: Gráfico temperatura-calor.
ctiv
idad
a Disponemos de 10 kilogramos de pescado a una temperatura de 20 ≥C y queremos congelarlo y llevarlo a una temperatura de √18 °C.
∂Qué cantidad de calor debemos extraer para lograrlo?
12
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ducción de Calor
Resumen
PresiónPresiónPresiónPresión
Energía y PoteEnergía y PoteEnergía y PoteEnergía y Potennnnciaciaciacia
Calor y FríoCalor y FríoCalor y FríoCalor y Frío
TemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura
Transferencia de cTransferencia de cTransferencia de cTransferencia de caaaalorlorlorlor
ConvecciónConvecciónConvecciónConvección
Es la fuerza dividida por la superficie de contacto sobre
la que se aplica. Suele expresarse en Pascales y se mide
mediante un manómetro. La presión atmosférica, es la
presión que ejerce el aire sobre la tierra y se toma como
referencia para los cálculos. Se mide con un barómetro.
Es la capacidad para realizar un trabajo, todos los cuer-
pos tienen energía por ser materia Se mide en Julios. La
potencia es la cantidad de trabajo que se realiza en un
tiempo. Se mide habitualmente en kilovatios.
El calor es una forma de energía asociada al movimiento de las
partículas, debido a una diferencia de temperatura. Tiene uni-
dades de energía, pero la que se suele utilizar es la caloría, y en
las refrigeraciones, frigorías. El frío es la ausencia de calor.
Representa la cantidad de calor de un cuerpo. Sus uni-
dades son grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se mide
habitualmente mediante un termómetro. En aplicaciones
industriales, se utilizan termorresistencias y un termopa-
res, todos ellos medidores por contacto. También existen
aparatos de medida sin contacto, que funcionan
mediante infrarrojos.
Se produce mediante el intercambio de energía debido a
una diferencia de temperatura Ocurre a través de tres
mecanismos: convección, conducción y radiación.
Intercambio de calor que se produce por diferencia de
temperatura en el seno de un fluido. Puede ser natural o
forzada.
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RadiaciónRadiaciónRadiaciónRadiación
ConducciónConducciónConducciónConducción
Cambios de estCambios de estCambios de estCambios de estadoadoadoado
Calor latenteCalor latenteCalor latenteCalor latente
Calor sensibleCalor sensibleCalor sensibleCalor sensible
Calor específicoCalor específicoCalor específicoCalor específico
Diagrama de saturDiagrama de saturDiagrama de saturDiagrama de saturaaaaciónciónciónción
Todos los cuerpos por tener una temperatura superior al
cero absoluto emiten energía, enfriando y calentando los
cuerpos que están a su alrededor. No es necesario un me-
dio para transmitir calor por radiación. Los cuerpos negros
absorben toda la radiación que llega hasta ellos y no refle-
jan nada, al contrario que los cuerpos blancos.
Transmisión de calor por contacto directo de las partículas
de los cuerpos implicados. Cada cuerpo tiene definida su
conductividad térmica, que determina la capacidad de con-
ducir el calor a través de él.
Los tres estados de la materia son sólido, líquido y gas. Al
añadir o eliminar calor, las sustancias cambian de estado,
cada una a unos valores propios de temperatura y presión..
Durante el cambio de estado no aumenta la temperatura.
Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustan-
cia para que se produzca su cambio de estado, sin cambio
de temperatura.
Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustan-
cia para producir un cambio en su temperatura.
Es el necesario para aumentar 1 ≥C la temperatura de 1
kilogramo de sustancia.
Es un diagrama Presión-Temperatura en el que la curva
representa el paso de líquido a vapor. Sobre la curva nos
encontramos en situación de saturación, a la presión de
vapor. Por encima de la curva tenemos líquido subenfria-
do y por debajo vapor sobrecalentado.
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Autoevaluación
1.1.1.1. ∂A qué magnitud corresponden las siguientes unidades?
UUUUNIDADNIDADNIDADNIDAD MMMMAGNITUDAGNITUDAGNITUDAGNITUD
CV
psi
Fahrenheit
daN/cm2
kJ
Frigoría
2.2.2.2. ∂Cómo se transmite el calor en una olla, un atizador de fuego y una hoguera? 3.3.3.3. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
VVVV FFFF
a. El agua se congela a 273 K.
b. Esta nevera tiene 5.000 calorías de potencia.
c. Los sistemas de climatización pueden expresar su po-tencia en frigorías/hora.
d. En Los Ÿngeles hace mucho calor hoy, hay 50 °F.
e. El calor se transfiere de la zona fría a la caliente
f. Un radiador transmite energía por conducción.
g. En el Everest el agua hierve a una temperatura infe-rior que a nivel del mar.
h. El calor latente de una sustancia es el necesario para que se produzca un cambio de estado.
i. Si el manómetro nos da una presión negativa es por-que hemos medido mal.
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4.4.4.4. Determina la cantidad de calor que hay que suministrar para convertir 1 gramo de
hielo a -20 °C en vapor a 100 °C. Representa en una gráfica Temperatura-Calor,
los cambios que se van produciendo a medida que aumenta la temperatura.
Los datos son los siguientes:
Calor específico del hielo ch = 2.090 J/(kg⋅K)
Calor de fusión del hielo Lf = 334”103 J/kg
Calor específico del agua c = 4.180 J/(kg⋅K)
Calor de vaporización del agua Lv = 2.260”103 J/kg
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Respuestas Actividades
1.1.1.1. Los manómetros miden la presión relativa, marcando 0 a la presión atmosférica a nivel del mar. Que la aguja no esté situada en el cero, significa que el sistema en el que está integrado el manómetro no está ubicado a nivel del mar, y éste está mi-diendo la diferencia entre la presión del ambiente en el que se encuentra, y la pre-sión atmosférica.
2.2.2.2. El valor de 0,5 bar corresponde a la presión relativa.
La presión absoluta sobre el sistema la calculamos sabiendo: P absoluta = P atmosférica + P relativa = 1 + 0,5 = 1,5 bar1,5 bar1,5 bar1,5 bar
3.3.3.3. 1 kilovatio equivale a 1 kilojulio por segundo. Vamos a convertir las kilofrigorías a
kilojulios, y las horas en segundos hasta obtener el resultado en las unidades buscadas.
2.500 h
kfrig⋅
kfrig 1
frig 1.000⋅
frig 1
kJ 4,18⋅
s 3.600
hora 1= 2.902,78 kJ/s= 2222....902902902902,,,,78 kw78 kw78 kw78 kw
4.4.4.4. Los 30 grados son Fahrenheit, por eso es posible que esté nevando, ya que se corres-
ponden aproximadamente con -1 °C.
(30 °F √ 32) ⋅ 0,55 = -1,1 °C 5.5.5.5. El cero absoluto expresado en °C y °F tiene los siguientes valores:
°C = K - 273 = 0 - 273 = ----273 °C273 °C273 °C273 °C
°F= 1,8 ⋅ K - 459,4 = 1,8 ⋅ 0 – 459,4 = ----459,4 °F459,4 °F459,4 °F459,4 °F
6.6.6.6. Para comprobarlo, hemos de utilizar las ecuaciones de conversión de Celsius a Fahrenheit y viceversa:
°F = (1,8⋅ °C) + 32
°C = (°F √ 32)⋅ 0,55 Resolviendo °F = °C en cualquiera de las expresiones:
°C= (1,8 ⋅ °C) + 32
-0,8 ⋅ °C = 32 → °C = ----40 = °F40 = °F40 = °F40 = °F
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49
7.7.7.7. Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador.
Si ponemos un ventilador, debido al efecto de la convección forzada, se calentará mucho más deprisa el ambiente. Es similar al ejemplo que hemos visto de agitar el agua que se calienta al fuego. Tanto si colocamos el termostato muy cerca del techo como muy cerca del suelo, su lectura no se corresponderá con la temperatura general de la habitación ya que, en las proximidades del techo el aire está más caliente y cerca del suelo está más frío.
8888.... El cuerpo humano elimina el calor por radiaciónradiaciónradiaciónradiación en una tasa proporcional a la
diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio ambiente. La radiación es res-ponsable del 50% de la pérdida total del calor del cuerpo y la mayor parte de ese calor se pierde por la cabeza.
También el ser humano pierde calor por conducciónconducciónconducciónconducción cuando entra en contacto con
un objeto que está a menor temperatura que su cuerpo. Ocurre por ejemplo al dor-mir sobre un suelo frío o al utilizar zapatos de suela fina sobre la nieve.
Además el cuerpo intercambia calor a través de su piel con el aire que le rodea . El intercambio térmico entre la piel y el aire se produce por convección.convección.convección.convección. Este inter-cambio dependerá de la diferencia de temperaturas y de la velocidad del aire.
9999.... SSSS‡LIDOS‡LIDOS‡LIDOS‡LIDOS LLLL‹QUIDOS‹QUIDOS‹QUIDOS‹QUIDOS GGGGASESASESASESASES
Volumen constante Volumen constante Volumen variable
Forma fija Forma variable Forma variable
Partículas ordenadas en posiciones fijas
Partículas próximas con movimiento libre
Partículas distantes con movimiento libre
Dureza Expansibles
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11110000.... a) Utilizando el diagrama de la figura 22 trazamos una línea recta horizontal a la altura de 10 bar hasta cortar con la línea de saturación. La temperatura corres-pondiente al punto de corte es la temperatura de saturación a esa presión: 20°C (punto 1).
b) El punto correspondiente a una temperatura de 0 °C y a una presión de 20 bar es el punto 2. Dado que se encuentra por encima de la curva de saturación, la sustancia estará como líquido subenfriado.
11111111.... Si consultas la tabla 8 y compruebas los datos correspondientes a las uvas, verás
que su temperatura de conservación para periodos de almacenaje corto es de 2 °C. Aplicando la fórmula correspondiente para calcular la cantidad de calor que es necesario extraer:
Q=m Q=m Q=m Q=m ⋅⋅⋅⋅ c (t c (t c (t c (t2222----tttt1111))))= 250 kg ⋅ 0,86 kcal/kg °C (2 °C √ 14 °C) = ---- 2.580 kcal 2.580 kcal 2.580 kcal 2.580 kcal
El signo √ significa que el calor ha de ser eliminado.
11112.2.2.2. La primera etapa del enfriamiento es la correspondiente a la bajada de temperatu-ra desde 20 °C hasta el punto de congelación, en este caso √2 °C. Para calcular el calor perdido por el pescado en este tramo aplicamos la fórmula:
Q= mQ= mQ= mQ= m⋅⋅⋅⋅cccc⋅⋅⋅⋅ (t(t(t(t2222----tttt1111) ) ) ) siendo
Q1=10 kg ⋅ 3,18 kJ/kg °C⋅ [(-2)-20] °C= ---- 699,6 kJ 699,6 kJ 699,6 kJ 699,6 kJ (el signo menos indica que es calor cedido por el pescado).
m= 10 kg c= 3,18 kJ/kg °C t1 = 20 ≥C t2= -2 ≥C
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Una segunda fase es la correspondiente al cambio de fase propiamente dicho, en el que se congelan todos los fluidos del pescado pasando de líquido a sólido. Para calcular el calor implicado en ese paso aplicamos la fórmula:
Q= m Q= m Q= m Q= m ⋅⋅⋅⋅ L L L L siendo
Q2=10 kg ⋅276 kJ/kg = 2.760 kJ2.760 kJ2.760 kJ2.760 kJ
Aún tenemos que calcular el calor cedido durante la última etapa de enfriamiento, hasta que se alcanzan los √18 °C. Para ello aplicamos de nuevo la primera fórmu-la, siendo en este caso:
Q3=10 kg ⋅ 1,67 kJ/kg °C⋅ [(-18)-(-2)] °C = 267,2 kJ267,2 kJ267,2 kJ267,2 kJ
El calor total cedido es la suma de los tres calculados:
Q = 699,6 + 2.760 + 267,2 = 3.726,8 kJ3.726,8 kJ3.726,8 kJ3.726,8 kJ
m= 10 kg c= 1,67 kJ/kg °C t1 = -2 ≥C t2= -18 ≥C
m= 10 kg L= 276 kJ/kg
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Respuestas Autoevaluación
1. La respuesta correcta es:
UUUUNIDADNIDADNIDADNIDAD MMMMAGNITUDAGNITUDAGNITUDAGNITUD
CV Potencia
psi Presión
Fahrenheit Temperatura
daN/cm2 Presión
kJ Energía
Frigoría Energía
2. La respuesta correcta es:
En una ollaollaollaolla se produce conducción por el calor que se propaga de la parte de
debajo de la olla donde incide el fuego, al resto de las partes, y también apare-
ce este fenómeno cuando estamos cocinando algo sólido, por ejemplo, un po-
llo, el calor se transmite desde la superficie de la olla al pollo.
La convección surge cuando, por ejemplo, estamos calentando agua, y se iguala
la temperatura de todo el fluido.
En un atizador de fuegoatizador de fuegoatizador de fuegoatizador de fuego se produce claramente conducción. Se calienta el ex-
tremo con el que se remueven las brasas, y el calor se propaga a través de él
hasta que tú lo sientes en la mano.
En una hoguerahoguerahoguerahoguera se produce radiación, se transmite calor sin necesidad de materia
como medio de transmisión. 3.3.3.3. Las afirmaciones son:
a. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera. b. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. La caloría es una unidad de energía, no de potencia. c. Verd Verd Verd Verdaaaadera.dera.dera.dera. d. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. 50 ≥F equivale a 10 ≥C, con lo cual, no hace mucho calor. e. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. Siempre se transmite de la zona caliente a la fría.... f. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. Se transmite el calor mediante radiación g. Verd Verd Verd Verdaaaadera.dera.dera.dera. h. Verdadera. Verdadera. Verdadera. Verdadera. i.i.i.i. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. También mide presiones negativas, cuando la presión medida está por
debajo de la atmosférica.
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53
4.... Vamos a calcularlo paso a paso:
Se eleva la temperatura de 1 gramo de hielo de -20 ºC a 0 ºC. Calculamos el calor sensible correspondiente a este paso, ya que no hay cambio de fase, sólo de temperatura:
Q1= m⋅c⋅(t2 - t1) = 0,001 kg ⋅ 2.090 J/kg K ⋅(0-(-20)) K= 41,8 J Date cuenta que el intervalo de temperatura es igual en Kelvin y en Celsius, por eso ponemos en las unidades K, para obtener al final las unidades deseadas sin tener que hacer el cambio de ºC a Kelvin. Si no fuera una diferencia de tempera-tura, sí tendríamos que hacer el cambio de unidades.
A continuación se funde el hielo, hay cambio de fase, pero no de temperatura. Lo calculamos mediante el calor latente de fusión, porque pasamos de sólido a líquido: Q2= m⋅Lf =0,001 kg⋅334⋅103 J/kg = 334 J
Después se eleva la temperatura del agua de 0≥ C a 100 ≥C. Utilizando el calor espe-cífico del agua, obtenemos el calor necesario para realizar ese aumento de temperatura: Q3= m⋅c⋅(t2-t1) = 0,001 kg ⋅ 4.180 J/kg K ⋅(100-0) K=418 J
Por último se convierte 1 gramo de agua a 100 ºC en vapor a la misma temperatura:
Q4= m⋅Lv =0,001 kg ⋅2.260⋅103 J/kg = 2.260 J Sumamos todas las cantidades de calor que hemos calculado para obtener el calor total necesario:
QT=Q1+Q2+Q3+Q4=3333....053053053053,,,,8 J8 J8 J8 J
La gráfica T-Q que representa los cambios durante este proceso es la siguiente:
Hielo
Q (J)
41,8 375,8 793,8 3.053,8
100
0T (C)
50
0
-20
Hielo + agua
Agua
Agua + vapor
Vapor
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