Universidad de Guayaquil

Facultad de Ingeniería Química

Carrera: Ingeniería Química

Laboratorio Física Básica 2

Tema:

Informe individual

Pertenece a:

♣ Katherin Solórzano Aldáz

Segundo Semestre

Paralelo “C”

Docente: Ing. Tonny Coloma

19 de agosto del 2015

Resumen

En la presente investigación vamos a tratar temas involucrados con el calor, la temperatura y la expansión o dilatación.

El Calor es la transferencia de energía de una parte de un cuerpo a otra, es decir el calor es energía en movimiento, siempre se transmitirá de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. El físico James Prescott Joule, demostró que el calor no es más que una transferencia de energía y determinó el equivalente mecánico de calor.

La Temperatura es una propiedad existente en la materia la cual la relaciona con frío o calor al sentirse en contacto con ella. El instrumento que utilizamos para medir la temperatura usualmente es el Termómetro. Para medir la temperatura actualmente utilizamos tres escalas que son; Celsius, Fahrenheit, y Kelvin.

La Energía Interna está definida como la energía que se encuentra asociada con los movimientos aleatorios y desordenados de las moléculas.

La Dilatación o Expansión Térmica es el aumento de un material a medida a medida que va aumentando la temperatura. Si el material se encuentra en estado sólido la expansión que ocurra se define en términos de Longitud. Cuando el material se encuentra en estado líquido la expansión se dará como un cambio de volumen. La dilatación se la puede dividir en: Dilatación Lineal, Superficial y Volumétrica.

Palabras claves

Calor Temperatura Dilatación Expansión Energía Transferencia

temperatura

La temperatura de un cuerpo es una propiedad relacionada con el hecho de que un cuerpo esté “más caliente” o “más frío”.

El concepto de temperatura puede ser más fácilmente expresado por el calor

no fluirá entre dos objetos en la misma temperatura en el contacto el uno con el otro. La energía calórica siempre fluirá de un objeto de temperaturas más alto a un objeto de temperaturas inferior. Entonces la temperatura es un término relativo. http://mayurbadkatonline.com/Temperature/What_is_Temperature

Medición de Temperatura

El instrumento que generalmente se utiliza para que la temperatura pueda medirse es el Termómetro.

Un termómetro es un dispositivo que es usado para medir la temperatura de un organismo vivo, un lugar, o un objeto. En la actualidad existen varios tipos de termómetros medidos a diferentes escalas.https://www.filtersfast.com/articles/What-is-Temperature.php

Escalas de Temperaturas

Existen tres tipos de escalas actualmente Celsius, Fahrenheit y Kelvin.

CelsiusEsta es la escala más usada a nivel mundial. Celsius usa la unidad "grados" y es abreviado como °C. La escala pone el punto de congelación del echar agua en 0 °C y el punto de ebullición del echar agua en 100 °C.

Fahrenheit Esta escala es más común en Estados Unidos. Fahrenheit pone el punto de congelación del echar agua en 32 °F y el punto de ebullición en 212 °F.

Kelvin Esta escala en cambio es la más utilizada por los científicos. Kelvin no usa el símbolo ° como las otras dos escalas. Su escala va desde 273 hasta 373 K.http://www.ducksters.com/science/physics/temperature.php

Calor

El calor puede ser definido como la energía en el tránsito de un objeto de temperaturas alto a un objeto de temperaturas inferior. Un objeto no posee "el calor"; el término apropiado para la energía microscópica en un objeto es la energía interna. La energía interna puede ser aumentada transfiriendo la energía al objeto de un objeto (más caliente) de temperaturas más alto - este es correctamente llamado calentándose. http://www.explainthatstuff.com/heat.html

Unidad de Calor

Como una forma de energía, la unidad de SI para el calor es el joule (J), aunque el calor también sea con frecuencia medido en la caloría (cal), que es definido como "la cantidad de calor requerido levantar la temperatura de un

gramo del echar agua de 14.5 grados Celsius a 15.5 grados Celsius." El calor también es a veces medido en "unidades termales británicas" o Unidad calorífica británica. http://physics.about.com/od/glossary/g/heat.htm

Es calor se puede transferir de tres formas: Por Conducción, Conexión y Radiación.

Conducción

La mayor parte del calor que se transfiere a través de los cuerpos sólidos, es transmitida de un punto a otro por conducción.Dependiendo de la constitución atómica de una sustancia, la agitación térmica podrá transmitirse de uno a otro átomo con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia sea buena o mala conductora de calor. Así, por ejemplo, los metales son conductores térmicos. Física General Antonio Máximo – Beatriz Alvarenga Unidad 6 Pág. 516

Convección

En este proceso el calor se transfiere entre dos sustancias líquidas, dos gaseosas, o entre un líquido y un gas, pero esto ocurrirá cuando estas sustancias estén a diferentes temperaturas.En ocasiones, también podemos denominar convección, a la transferencia de calor entre un sólido y un gas o entre un

líquido y un sólido cuando estos se encuentren a diferentes temperaturas. Física General Antonio Máximo – Beatriz Alvarenga Unidad 6 Pág. 518

Radiación

La radiación es la energía que viene de una fuente y viaja por algún material o por el espacio. La luz, el calor y el

sonido son tipos de la radiación. La clase de radiación hablada en esta presentación es llamada la radiación de ionización porque esto puede producir partículas cobradas (iones) en la materia. https://orise.orau.gov/reacts/guide/define.htm

EQUIVALENTE MECÁNICO DE CALOR

El flujo de calor y el trabajo son ambos modos de transferir la energía. Como ilustrado en el calor

y ejemplo de trabajo, la temperatura de un gas puede ser levantada calentándolo, por hacer el trabajo en ello, o una combinación de los dos.

En un experimento clásico en 1843, James Joule mostró la equivalencia de energía de la calefacción y haciendo el trabajo usando el cambio de la energía potencial de masas

decrecientes de mover un contenedor aislado del echar agua con palas. Las medidas cuidadosas mostraron que el aumento de la temperatura del echar agua para ser proporcional a la energía mecánica solía mover el echar agua. Entonces las calorías eran la unidad aceptada del calor y el joule se hizo la unidad aceptada de la energía

mecánica. La Unidad Termal británica también fue introducida. Su relación al joule es

1 caloría = 4.1868 Joules1 BTU = 1055.056 Joules

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html

CAPACIDAD CALORÍFICA capacidad térmica o capacidad termal, proporción del cambio de energía calórica de una masa de unidad de una sustancia al cambio de temperatura de la sustancia; como su punto de fusión o punto de ebullición, la capacidad térmica es una característica de una sustancia. La medida de calor y capacidad térmica es llamada calorimetry. En el sistema métrico, la capacidad térmica a menudo es expresada en unidades de calorías por gramo por grado Celsius (cal/g-° C); en el sistema inglés, unidades termales británicas por libra por grado Fahrenheit (Btu/lb-° F) a menudo son usados. A causa de las definiciones de la caloría y Unidad calorífica británica, estas dos unidades de capacidad térmica son el equivalente; la capacidad térmica de echar agua puro es 1 cal/g-° C y 1 Btu/lb-° F. Otras unidades son usadas también; por ejemplo, la capacidad térmica de echar agua puro es 4.184 joules/g-° C y 1.16x10 - 6 kilowatt-hours/g-° C. La capacidad térmica de un sistema como un calorimeter se refiere a la proporción del cambio de la energía calórica del sistema en conjunto al cambio de su temperatura y es expresada en tales unidades como calorías por grado Celsius.

CALOR ESPECÍFICO calor de temperaturas y específico [Crédito: Encyclop æ dia Britannica, Inc] proporción de la cantidad de calor requerido levantar la temperatura de un cuerpo un grado a esto requerido levantar la temperatura de una masa igual del echar agua un grado. El término también es usado en un sentido más estrecho de significar la cantidad de calor, en calorías, requeridas levantar la temperatura de un gramo de una sustancia por un Grado Celsius. El científico escocés Joseph Black, en el 18o siglo, notó que las masas iguales de sustancias diferentes necesitaron cantidades diferentes del calor para levantarlos por el mismo intervalo de temperaturas, y, de esta observación, él fundó el concepto del calor específico. A principios del 19o siglo los físicos franceses Pierre-Louis Dulong y Alexis-Thérèse Petit se manifestaron que las medidas de calores específicos de sustancias permiten el cálculo de sus pesos atómicos (ver la ley Dulong-Petit). Ver también la capacidad térmica.http://www.britannica.com/science/specific-heat

Calor de Fusión

Se llama "calor de fusión", la energía necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado sólido, a estado líquido, sin cambiar su temperatura. Esta energía rompe los enlaces de sólidos, y queda una significativa cantidad, asociada con las fuerzas intermoleculares del estado líquido.

Calor latente de fusión

Para que un sólido pase al estado líquido debe absorber la energía necesaria a fin de destruir las uniones

entre sus moléculas. Por lo tanto, mientras dura la fusión no aumenta la temperatura. Por ejemplo, para

fundir el hielo o congelar el agua sin cambio en la temperatura, se requiere un intercambio de 80 calorías

por gramo, o 80 kilocalorías por kilogramo.

El calor requerido para este cambio en el estado físico del agua sin que exista variación en la temperatura

recibe el nombre de calor latente de fusión o simplemente calor de fusión del agua.

Esto significa que si sacamos de un congelador cuya temperatura es de –6° C un pedazo de hielo de

masa igual a 100 gramos y lo ponemos a la intemperie, el calor existente en el ambiente elevará la

temperatura del hielo, y al llegar a 0° C y seguir recibiendo calor se comenzará a fundir.

A partir de ese momento todo el calor recibido servirá para que la masa de hielo se transforme en agua

líquida. Como requiere de 80 calorías por cada gramo (ver cuadro), necesitará recibir 8.000 calorías del

ambiente para fundirse completamente. Cuando esto suceda, el agua se encontrará aún a 0° C y su

temperatura se incrementará sólo si se continúa recibiendo calor, hasta igualar su temperatura con el

ambiente.

Calor de fusión de cada sustancia

El calor de fusión es una propiedad característica de cada sustancia, pues según el material de que esté

hecho el sólido requerirá cierta cantidad de calor para fundirse. Por definición: el calor latente de fusión de

una sustancia es la cantidad de calor que requiera ésta para cambiar 1 gramo de sólido a 1 gramo de

líquido sin variar su temperatura.

Los cálculos pertinentes se realizan utilizando las fórmulas:

Donde λf = calor latente de fusión en cal/gramo.

Q = calor suministrado en calorías.

m = masa de la sustancia en gramos.

En el cuadro siguiente se dan algunos valores del calor latente de fusión para diferentes sustancias.

Sustancia                                         λf en cal/gr. 

Agua                                                         80 

Hierro                                                       6 

Cobre                                                       42 

Plata                                                         21 

Platino                                                     27 

Oro                                                           16 

Mercurio                                                  2,8 

Plomo                                                      5,9

 

Calor latente de solidificación

Como lo contrario de la fusión es la solidificación o congelación, la cantidad de

calor requerida por una sustancia para fundirse, es la misma que cede cuando se

solidifica.

Por lo tanto, con respecto a una sustancia el calor latente de fusión es igual al calor

latente de solidificación o congelación.

 

Ejercicio 1

Calcular la cantidad de calor que se requiere para transformar 100 gramos de hielo

que están a –15° C de temperatura en agua a 0° C.

Desarrollo

Para que el hielo eleve su temperatura de –15° C hasta el punto de fusión a 0° C, se necesita una

cantidad de calor que se calcula con la ecuación

Q = m Ce ΔT.

Donde

Q = calor requerido (en calorías)

Ce = Calor específico (en cal/gº C)

ΔT = variación de temperatura  o Tf – Ti (en grados C)

Q1 = 100 g x 0,50 cal/g° C x 15° C = 750 calorías.

Luego, para que el hielo se funda y se tenga agua a 0° C, se aplica la ecuación

Q = mλf   (el calor latente de fusión para el agua, según el cuadro anterior, es 80

cal/g) entonces:

Q2 = 100 gr x 80 cal/gr = 8.000 cal

Así, el calor total requerido es:

Q1 + Q2 = 750 cal + 8.000 cal = 8.750 calorías.

 

Calor latente de vaporización

A una presión determinada todo líquido calentado hierve a una temperatura fija que

constituye su punto de ebullición. Este se mantiene constante independientemente

del calor suministrado al líquido, pues si se le aplica mayor cantidad de calor, habrá

mayor desprendimiento de burbujas sin cambio en la temperatura del mismo.

Cuando se produce la ebullición se forman abundantes burbujas en el seno del

líquido, las cuales suben a la superficie desprendiendo vapor.

Calor latente de

fusión para el

agua: 80 cal/g.

Todo líquido

calentado

hierve.

Si se continúa calentando un líquido en ebullición, la temperatura ya no sube, esto provoca la disminución

de la cantidad del líquido y aumenta la de vapor.

Al medir la temperatura del líquido en ebullición y la del vapor se observa que

ambos estados tienen la misma temperatura; es decir; coexisten en equilibrio

termodinámico.

A presión normal (1 atm = 760 mm de Hg), el agua ebulle (hierve) y el vapor se

condensa a 100° C, a esta temperatura se le da el nombre de punto de ebullición

del agua. Si se desea que el agua pase de líquido a vapor o viceversa sin variar su

temperatura, necesita un intercambio de 540 calorías por cada gramo. Este calor

necesario para cambiar de estado sin variar de temperatura se llama calor latente

de vaporización del agua o simplemente calor de vaporización.

Ver: PSU: Física; Pregunta 15_2005(1)

Por definición el calor latente de vaporización de una sustancia es la cantidad

de calor que requiere para cambiar 1 gramo de líquido en ebullición a 1 gramo

de vapor, manteniendo constante su temperatura.

Los cálculos pertinentes se realizan utilizando las fórmulas:

Donde

λv = calor latente de vaporización en cal/g

Q = calor suministrado en calorías

m = masa de la sustancia en gramos.

Como lo contrario de la evaporación es la condensación, la cantidad de calor requerida por una

sustancia para evaporarse es igual a la que cede cuando se condensa, por lo tanto, en ambos el calor

latente de condensación es igual al calor latente de vaporización para dicha sustancia.

En el cuadro siguiente se dan valores del calor latente de vaporización de algunas sustancias.

Calor latente de vaporización de algunas sustancias

Sustancia                          λv en cal/gr 

Agua                                             540 

Nitrógeno                                     48 

Helio                                             6 

Aire                                              51 

Mercurio                                      65 

Alcohol etílico                            204 

Bromo                                         44       

 

Ejercicio 2

Calcular la cantidad de calor que se requiere para cambiar 100 gramos de hielo a –0° C en vapor a 130°

C.

Desarrollo

Para que el hielo eleve su temperatura de –10° C hasta el punto de fusión a 0° C necesita una cantidad

de calor igual a:

Ebullición

natural.

Q1 = m CeΔT = 100 g x 0,50 cal/g° C x 10° C = 500 cal.

En seguida, para calcular el calor que se requiere para que el hielo se funda y se tenga agua a 0° C, se

aplica la ecuación

Q = mλf.

Q2 = 100 g x 80 cal/g = 8.000 cal.

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_Cantidad.html

Bases del fenómeno[editar]

La dilatación térmica tiene un fundamento físico diferente en líquidos, gases y sólidos.

En los gases las moléculas están deslocalizadas, por lo que a lo largo del tiempo una

molécula puede llegar a ocupar cualquier posición en el seno de la masa gaseosa, el

calentamiento produce un aumento de la energía cinética de cada molécula lo cual

aumenta la presión del mismo, que a su vez es el fundamento de la dilatación térmica.

En los sólidos antes de la fusión o aparición de deformaciones por calor, cada molécula

está constreñida a moverse alrededor de una pequeña región alrededor de la posición de

equilibrio de la misma. Al aumentar la temperatura la molécula realiza oscilaciones

alrededor de su posición de equilibrio lo cual tiene el efecto de expandir el sólido.

En los líquidos el proceso es más complejo y presenta características intermedias entre

gases y líquidos.

Coeficientes de dilatación[editar]

Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de

longitud, superficie o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido

experimenta un cambio de temperatura.

Para sólidos el tipo de coeficiente de dilatación más comúnmente usado es el coeficiente

de dilatación lineal αL. Para una dimensión lineal cualquiera se puede medir

experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto

cambio de temperatura como:

En gases y líquidos es más común usar el coeficiente de dilatación volumétrico αV, que

viene dado por la expresión:

Para sólidos también puede medirse la dilatación térmica, aunque resulta menos

importante en la mayoría de aplicaciones técnicas.

Dilatación lineal[editar]

El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, expresarse como:

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [1/C°]

L0= Longitud inicial del cuerpo.

Lf= Longitud final del cuerpo.

T0= Temperatura inicial del cuerpo.

Tf= Temperatura final del cuerpo.

Dilatación superficial[editar]

La dilatación superfical de un sólido isótropo tiene un coeficiente de

dilatación superficial que es aproximadamente dos veces el

coeficiente de dilatación lineal. Por ejemplo si se considera una placa

rectangular (de dimensiones: Lx y Ly), y se somete a un incremento

uniforme de temperatura, el cambio de superficial vendrá dado por:

Dilatación volumétrica[editar]

Un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que

es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Por

ejm si se considera un pequeño prisma rectangular (de

dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento uniforme de

temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por:

Aplicaciones[editar]

El conocimiento del coeficiente de dilatación (lineal) adquiere una

gran técnica importancia en muchas áreas del diseño industrial. Un

buen ejemplo son los rieles del ferrocarril, estos van soldados unos

con otros por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios

centenares de metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea

se desplazaría por efecto de la dilatación, deformando completamente

el trazado. Para evitar esto, se estira el carril artificialmente, tantos

centímetros como si fuese una dilatación natural y se corta el

sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como

neutralización de tensiones.

Para ello, mediremos la temperatura media en la zona donde se

instale la vía, le restaremos la que tengamos en ese momento en el

carril, el resultado lo multiplicaremos por elcoeficiente de

dilatación del acero y por la longitud de la vía a neutralizar.

Valores del coeficiente de dilatación lineal[editar]

Esquema del principio de un aparato utilizado para medir la dilatación

Algunos coeficientes de dilatación

Material α ( ° C-1 )

Hormigón ~ 1.0 x 10-5

Hierro,

acero1.2 x 10-5

Plata 2.0 x 10-5

Oro 1.5 x 10-5

Invar 0.04 x 10-5

Plomo 3.0 x 10-5

Zinc 2.6 x 10-5

Aluminio 2.4 x 10-5

Latón 1.8 x 10-5

Cobre 1.7 x 10-5

Vidrio ~ 0.7 x 10-5

Cuarzo 0.04 x 10-5

Hielo 5.1 x 10-5

https://fr.wikipedia.org/wiki/Dilatation_thermique