PADRE DE LA NANOTECNOLOGIA

Cuaderno de Actividades: Fsica II

ALUMNO:ROJAS GUADALUPE JONATHAN

CODIGO:

1011517

CURSO:

ONDAS Y TERMODINAMICA

TEMA:RESOLUCION DE BOLETIN TEMPERATURA Y CALORPROFESOR:PERCY VICTOR CAOTE FAJARDO

CICLO:

VI

HORARIO:

LUNES - VIERNES

8:00AM 9:30AM

AULA:

A212

2014

5) Temperatura y Calor

5) Temperatura y Calor, T y Q

Estudiaremos sistemas fsicos donde se transfieren energas trmicas, para lo cual ser necesario establecer cuidadosamente las definiciones de temperatura y calor, conceptos estrechamente relacionados pero claramente diferenciados. Describiremos adems algunas propiedades trmicas de los cuerpos y sustancias, para poder comprender los sistemas termodinmicos.5.1) Definicin de TemperaturaPodemos definir la temperatura de los cuerpos de dos formas, una, usando la Ley cero de la Termodinmica, la otra, mediante el estado de movimiento molecular. Usemos la ley cero para establecer el concepto de equilibrio trmico, ET, y a partir de ah definir temperatura.La temperatura es la CFE que nos indica cuando dos cuerpos (sistemas) se encuentran en ET. El ET caracteriza el estado de no transferencia de energa (calor) entre dos cuerpos.

La temperatura es la sensacin fsica que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con l.Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatacin que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termmetros que consisten en un pequeo depsito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.

5.2) Escalas termomtricasLos termmetros son instrumentos que nos permiten cuantificar la temperatura. Estn basados en diversos fenmenos como, dilatacin, cambio de presin, volumen, resistencia elctrica, color, etc.

Para calibrar los termmetros se emplean estados de sustancias como el agua, considerando su punto de congelacin y de ebullicin, por ejemplo. En otros casos se emplean fenmenos de calibracin generales como el cese de movimiento molecular, para independizar al termmetro de la sustancia.Los termmetros a gas a volumen constante permiten definir la escala absoluta. Es un termmetro que puede hacerse independiente del gas (para bajas presiones y temperaturas sobre el punto de licuacin del gas) usndose la relacin entre la presin y temperatura del gas a volumen constante para la calibracin.

p (Pa)

-273,15 0 100 T (C)Si se extrapola la curva p-T, se encuentra que la temperatura asociada a p = 0 es T= -273,15, este valor se usa para definir el 0 de la escala Kelvin de temperaturas, de tal forma que su relacin con la centgrada es,

A la temperatura kelvin, T, se le conoce como temperatura absoluta, y segn la ecuacin precedente,

Otra escala de temperaturas importante es la escala Fahrenheit, TF, la cual se vincula a la centgrada por,

Anlogamente, de esta ecuacin se extrae,

5.3) Calor, QCuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto trmico, despus de un cierto tiempo, alcanzan la condicin de equilibrio en la que ambos cuerpos estn a la misma temperatura. Un fenmeno fsico anlogo son losvasos comunicantes.

Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B,TA>TB.

Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperaturaTB>TA,el bao A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.

Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequea que est a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante est prxima a la del sistema grande.

Decimos que una cantidad de calorDQse transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.

La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperaturaDT.

La constante de proporcionalidadCse denomina capacidad calorfica del sistema.

DQ=CDTSi los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que est a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que est a menos temperatura hasta que ambas se igualan

SiTA>TB El cuerpo A cede calor:DQA=CA(T-TA), entoncesDQA0ComoDQA+DQB=0

La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada

La capacidad calorfica de la unidad de masa se denomina calor especficoc. C=mcLa frmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en trminos de la masam,del calor especficocy del cambio de temperatura.

DQ=mc(Tf-Ti)

DondeTfes la temperatura final yTies la temperatura inicial.

El calor especfico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centgrado su temperatura.

Joule demostr la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones histricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en caloras.

El calor especfico del agua esc=1 cal/(g C). Hay que suministrar una calora para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centgrado.

Forma de energa que intercambian los cuerpos en desequilibrio trmico.

Q

, T1 > T2 T1 T2Histricamente: u(Q( ( cal, cantidad de calor que requiere 1 g de agua para pasar de 14,5 a 15,5 C.SI: u(Q( ( J, (energa!(El calor siempre fue considerado una forma de energa?Joseph Black (1728-1799) fue el primer cientfico en diferenciar entre el calor y la intensidad del calor (ms tarde medida como temperatura) y reconoci en calor latente absorbido o liberado en las transiciones de fase, al descongelar hielo por calentamiento lento y observar que la temperatura del mismo no variaba. Fue tambin uno de los que propuso la teora del calrico, la cual consideraba al calor como un fluido imponderable. Antoine Lavoiser (1743-1794) fundador de la qumica moderna que desacredit la teora del flogisto al demostrar que la combustin fue una combinacin con el oxgeno y no una perdida de flogisto. Realiz las primeras medidas calorimtricas, aunque defendi la teora de calrico para referirse a la fuente de calor, cuya produccin es uno de los rasgos ms prominentes de la combustin. As el calor fue considerado un fluido imponderable (diferente de la materia ordinaria) llamado calrico (de hecho Lavoiser acuo el termino) que rodeaba la sustancia de los tomos y que poda ser obtenido en reacciones que producen calor como la combustin. De hecho la temperatura era considerada una manifestacin del contenido calrico de los cuerpos materiales. As, la unidad de calor era la calora que era la cantidad de calor que haba que suministrara un gramo de agua para aumentar 1 C su temperatura.John Dalton (1766-1844) concibi cada tomo existiendo en una atmosfera de calor y en 1808 escribi:La ms probable opinin respecto a la naturaleza del calrico es que es en esencia un fluido de gran sutileza, las partculas del cual se repelen unas a otras, pero que son atradas por todos los otros cuerpos.

La teora del calrico del calor fue aceptada por la mayora de los cientficos de la primera mitad del siglo XIX. En 1879, Benjamin Thompson (Conde de Rumford, 1753-1814) realiz las primeras observaciones que indicaban que la idea del calrico era incorrecta y no se ajustaba a la observacin experimental. Mientras supervisa el torneado de los caones de Baviera, observ que a causa del calor generado por el taladro se deba utilizar agua para refrigerar el proceso, pero que haba que reemplazarla continuamente porque se evaporaba durante la operacin. De acuerdo con la teora del calrico, cuando el metal procedente del torneado se cortaba en trozos pequeos, su propiedad de retener el calor disminua. Por lo tanto la teora predeca que durante este proceso se debera ceder calrico al agua, calentndose hasta la ebullicin, fenmeno as observado. Contrariamente a esta prediccin, Thomson observ sin embargo que aun cuando la broca no estuviese lo suficientemente afilada como para cortar el metal (i.e. estuviera roma) del can, el agua segua evaporndose en tanto la broca giraba. Aparentemente el calrico se produca simplemente por friccin y poda producirse interminablemente en contradiccin con la teora del calrico, la cual indicaba que los cuerpos solo almacenaban una cantidad determinada de substancia calrica, cuya cantidad global deba conservarse. En base a esta experiencia, Thomson sugiri que el calor no era una sustancia que se conserva, sino alguna forma de movimiento que era comunicada desde la broca al agua. Demostr que de hecho el calor producido era proporcional al trabajo realizado durante la operacin del taladro.

5.4) Dilatacin de slidos y lquidosLa dilatacin de los cuerpos es un fenmeno estrechamente vinculado a los cambios de temperatura. Por lo general, los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuando disminuye. Estas variaciones en las dimensiones de los cuerpos tienen aplicaciones mltiples, termmetros, termostatos, uniones de estructuras, etc.

Si se calentara un cuerpo desde una temperatura inicial Ti hasta una temperatura final T, estos es, producindole una variacin de temperaturas (T, se observara por lo general, que la correspondiente longitud inicial Li, aumentara hasta una longitud final L, produciendo una variacin en dicha dimensin (L. Los experimentos muestran que, en primera aproximacin (cuando los (L no son comparables con Li),

Se introduce(, coeficiente trmico de dilatacin lineal, para establecer la igualdad,

con lo que,

(T

Li LLos cambios superficiales y volumtricos se determinan con ecuaciones similares,

y

donde ( y (, son los coeficientes trmicos de dilatacin superficial y volumtrica, respectivamente. Adems, ( y (, se relacionan con (, para temperaturas menores de 100 C, mediante,

Casos anmalos especiales se presentan tanto en slidos como en lquidos. La calcita (CaCO3), por ejemplo, tiene (s negativos, lo que implica contraccin en ciertas direcciones, y en el caso de los lquidos, el agua, tiene un comportamiento especial en torno a la temperatura de 4 C. Veamos la curva de densidad contra temperatura para el agua,

((kg/m3)

103

999 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T(C)

A que se debe la disminucin del V entre 0 4 C?

Los movimientos verticales en el ocano estn regulados por pequeas diferencias en la densidad debido a variaciones en la salinidad (contenido de sales) y/o en la temperatura. Al aumentar el contenido de sales se incrementa la densidad, y generalmente el agua fra es ms densa que el agua caliente. En la figura adjunta se describe la densidad del agua pura como una funcin de la temperatura. La densidad se incrementa conforme la temperatura decrece a partir de los 20 oC. Esta tendencia cambia, sin embargo a partir de los 4 oC, en el mximo de la curva que indica que la densidad del agua decrece con la temperatura a partir de este punto. Para comprender el impacto de ello, considere un cuerpo de agua idealizado con temperatura uniforme de 20 oC. Cuando se enfra en la superficie, el agua aumenta su densidad y se hunde, siendo reemplazada por agua ms clida y menos densa. Este proceso continua hasta que en la superficie (y en todo el cuerpo de agua) se alcanzan los 4 oC. Cualquier enfriamiento posterior en la superficie origina agua menos densa la cual permanece en los estratos ms superficiales. Luego la superficie se congelara si el enfriamiento persiste, pero los niveles bajos continuaran a 4 oC. Por lo tanto los peces y las plantas del fondo estn protegidos del congelamiento. (Cualquier pescador canadiense debera tener este grfico en su caja de anzuelos como un recordatorio de que los lagos en esas regiones tienen peces debido a este peculiar efecto!)Densidad del agua pura vs. Temperatura5.5) Cambios de fase o estado

Asuntos pueden estar en cuatro estados como slido, lquido, gaseoso y plasma. Distancia entre las molculas o los tomos de la materia muestra su estado o fase. Temperatura y la presin son los nicos factores que afectan a las fases de la materia. Bajo la presin constante, cuando se calienta la materia, su velocidad de movimiento aumenta y como resultado la distancia entre los tomos o molculas se hace ms grande. Si usted le da calor a una sustancia slida, su temperatura aumenta hasta un punto especfico y despus de este punto de la temperatura es constante y se empieza a cambiar su fase de slido a lquido. Otro ejemplo de que todo lo que en la vida de la experiencia cotidiana, cuando se calienta el agua hierve y si siguen dando calor que comienza a evaporarse. En esta seccin vamos a aprender de estos cambios en las fases de las sustancias y aprender a calcular el calor necesario para cambiar los estados de ellos.

De fusin y de congelacin

Si las materias slidas suficiente ganancia de calor cambian de estado slido a lquido. El calor es una forma de energa y en este caso se utiliza el romper las cadenas de los tomos y molculas. tomos y molculas vibran calienta ms rpidamente y romper sus ataduras. Llamamos a este estado de fusin proceso de cambio de slido a lquido. Inversa de la fusin se llama la congelacin, el cambio de estado lquido a slido, en el que los tomos y las molculas pierden calor y se unen, su movimiento se ralentiza y disminuye la distancia entre ellos.

Mira el grfico dado que muestra la fusin del hielo.

Esta es una fase de cambio de agua del estado slido al lquido. Como se puede ver en el hielo en principio es de -15 C, que dan calor y su temperatura llega a 0 C que es el punto de fusin del hielo. Durante el proceso la temperatura de fusin de la mezcla de hielo y agua no cambia. Despus de toda la masa de hielo se funde la temperatura comienza a subir.

Cada materia slida tiene su propio punto de fusin, se puede decir que el punto de fusin es una propiedad que la distingue de los slidos. Inversa de este proceso se le llama congelacin en la cual el lquido pierde calor y de cambio de fase de lquido a slido. Punto de congelacin y el punto de fusin es el mismo de la materia misma y tambin es propiedad que la distingue de la materia.

Nos encontramos con el calor necesario para la fusin de la sustancia slida con la siguiente frmula;

Lfusin, al igual que el calor especfico, que muestra la cantidad de calor que debe dar para la fusin / unidad de congelacin de la masa. Por ejemplo, 3,3 105 julios / kg es el calor latente de fusin del hielo y lquido.

Efectos de la presin y la impureza de congelacin y Punto de fusin

La presin es la fuerza que ejerce sobre la superficie perpendicularmente. Por lo tanto, ayuda a mantener las partculas entre s. Si el volumen de la materia aumenta despus de la fusin, la presin disminuye el punto de fusin. Por el contrario, si el volumen de la sustancia disminuye despus de la fusin, la presin aumenta el punto de fusin de la materia. Por ejemplo, cuando usted camina en el camino cubierto de nieve se observa que la nieve bajo sus pies antes de derretirse todo, debido a que ejerza presin sobre ella con los pies. El derretimiento del hielo a 0 C se puede fundir a -3 C con la presin aplicada sobre el mismo. Impureza, como la presin afecta el calor latente de fusin. Por ejemplo, el agua salada se congela por debajo de 0 C.

La evaporacin de ebullicin y condensacin

La evaporacin es el cambio de fase de lquido a gas. La evaporacin se produce slo en la superficie del agua y en todas las temperaturas. Sin embargo, la evaporacin es directamente proporcional a la temperatura, el aumento de la temperatura en aumento en la tasa de evaporacin. Inversa de este proceso se llama condensacin en el que, las molculas de gas / tomos pierden calor y de cambio de fase de gas a lquido. Como en el caso de fusin, cuando se le da calor al lquido, en un momento determinado de su temperatura no cambia. Calor ganado dedicado a romper los enlaces entre molculas y tomos. A esta temperatura, la presin de vapor del lquido es igual a la presin de los alrededores. Durante este proceso de evaporacin se produce en todas partes del lquido que se llama punto de ebullicin. Punto de ebullicin es una propiedad que la distingue de los lquidos, cada materia tiene su propio punto de ebullicin. Por ejemplo, el agua hierve a 100 C en la presin atmosfrica. Nosotros utilizamos la siguiente frmula para encontrar el calor necesario para hervir la materia lquida.

Donde, m es la masa de la materia lquida y Vaporizacin es el calor latente de vaporizacin que muestra el calor necesario para evaporar unidad de masa. Por ejemplo, usted debe dar 2,3 X106 calor en julios para cambiar la fase de agua de lquido a gas.

Sublimacin

La sublimacin es el cambio de estado de slido a gas. Algunas de las materias slidas cambiar sus estados directamente al gas con el calor ganado. Por ejemplo, el hielo seco (CO2 congelado) sublima cuando el calor se le da. Inversa de este proceso se llama deposicin, en la que el gas asuntos calor perdido y el cambio a la fase slida.

Ejemplo:el grfico a continuacin muestra la relacin de la temperatura y el calor obtenido en las diferentes materias. Cules de ellos son posibles?

Lnea de A muestra de la relacin que, al calor ganado por la materia es constante, sin embargo, su temperatura va en aumento. Como una relacin entre el calor y la temperatura de la materia no es posible.

La lnea B muestra que la temperatura de la sustancia aumenta con el calor ganado. Es posible.

Lnea C muestra que, la materia del calor ganancias, pero su temperatura se mantiene constante. Esto tambin es posible; C se puede cambiar de la fase.

Lnea D, dice que, la materia del calor ganancias sin embargo, su temperatura disminuye. Esta situacin no es posible.

i) Definiciones previasj) Capacidad calorfica, C: Es la cantidad de calor que requiere la masa m de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 C,

jj) Calor especifico, c: Es la cantidad de calor que requiere 1 g de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 C,

Ejemplo:

* Calor especfico molar, c: Es la cantidad de calor que requiere 1 mol de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 C,

Ahora, las ecuaciones anteriores son para temperaturas donde c es una constante, o aproximadamente constante, sin embargo en general c ( c (T, p, V, etc) y en esos casos se tendra, atendiendo solo a la T,

que, para c ( constante, nos conduce a,

Tabla N 1

Calores Especficos, c

Sustanciacal /g C

Aluminio0,212

Cobre0,093

Hierro0,113

Mercurio0,033

Plata0,060

Latn0,094

Agua de mar0,945

Vidrio0,199

Arena0,20

Hielo0,55

Agua1,00

Alcohol0,58

Lana de vidrio0,00009

Aire0,0000053

? De que forma el alto c del H2O influye en mejores condiciones de vida.

Un hecho que pone de manifiesto la importancia de la magnitud del calor especfico en algunas sustancias es el conocido hecho de que el clima en las costas sea ms moderado que en regiones continentales. Esto es debido a que el agua tiene un elevado calor especfico (entre 10 y 40 grados se puede considerar como constante con un valor de 1Cal/gr./grado) y por ello puede ceder (en invierno) o absorber (en verano) grandes cantidades de calor variando muy poco su temperatura.

Tambin el hecho de que el agua tenga este elevado calor especfico es de vital importancia en los seres vivos ya que el agua, presente en gran proporcin en todo ser vivo, acta aqu tambin como regulador trmico, manteniendo la temperatura adecuada para el funcionamiento de todos sus subsistemas.

Menos mal que el agua tiene un alto calor especfico. Podramos imaginarnos un agua con un valor de calor especfico ms bajo, y tendramos que imaginarnos, tambin el fin de los veranos de playa, ya que el agua, con un valor ms bajo de calor especfico, captando el mismo calor en un da soleado de Julio o Agosto elevara su temperatura hasta prcticamente alcanzar el valor de la temperatura ambiente, se imagina que refrescante sera un bao en el mar a 30-35 C?). Sera una pesadilla, ya que si furamos a una heladera a comprarnos un helado, para refrescarnos de otra manera que no fuera bandonos en un agua a 30-35C, nos llevaramos un chasco al sacar el suculento helado de la nevera y contemplar cmo se nos derreta en nuestras propias manos, quizs antes de darle el primer chupetn.

Tambin al imaginar un valor menor de la capacidad calorfica de agua tendramos que acordarnos del agua que fluye por nuestra sangre. En invierno perderamos calor a un ritmo muy alto, ya que toda fuente de calor tiende a estar en equilibrio con el medio que le rodea cedindole calor y llegar as a una temperatura comn. Como lo masa de un cuerpo es despreciable frente a la masa existente de aire (fro) en el entorno de este, el cuerpo cedera calor a un ritmo considerablemente alto. En este aspecto no creo que hubiera problemas de obesidad, sino todo lo contrario, estas seran las personas capaces de sobrevivir en un mundo as. Habra que estar comiendo continuamente si quisiramos mantener la temperatura ptima de 35-37 C , almacenando energa qumica que fuera transformada en energa calorfica. En este sentido los deportistas tendran que ingerir cantidades an mayores de alimentos, ya que la energa qumica as almacenada sera adems de en mantener la temperatura transformada en energa mecnica. Podramos recetar un mtodo para sobrevivir en un mundo as que sera el de comer continuamente y movernos lo menos posible, algo parecido a invernar.

En verano no habra tantos problemas (en cuanto a temperatura corporal) ya que la temperatura del ambiente estara ms cerca de la adecuada y la prdida de calor sera menor. Todo dependera de cuanto ms baja de lo que es en realidad fuera el valor del Cp del agua.

Podramos imaginarnos tambin un valor ms elevado de este valor y algunas de las consecuencias que ello acarreara, pero no vamos a entrar en ello. Podramos entrar aqu en la cuestin del conocido principio antrpico, el cual se puede resumir en las siguientes palabras: el mundo en el que vivimos es aquel en el que podemos vivir (Paul Davies, matemtico ,cosmlogo).

Cmo se podran medir los c?En el Sistema Internacional de Unidades, el calor especfico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (Jkg-1K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la calora por gramo y por kelvin (calg-1K-1). As, el calor especfico del agua es aproximadamente 1 cal/(gK) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presin atmosfrica; exactamente 1 calg-1K-1 en el intervalo de 14,5 C a 15,5 C (por la definicin de la unidad calora).En los Estados Unidos, y en otros pocos pases donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajn de Unidades, el calor especfico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosfricas normales.10jjj) Calor latente, L: Cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para cambiar de fase o estado. Estos cambios se realizan a temperatura constante,

Ejemplos:

Medida del calor latente de fusin

Se llena un termo con hielo y se cierra. A travs del tapn se pasa un largo tubo de vidrio de pequea seccinSy dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente elctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0C.

Se aade agua a travs del tubo para rellenar la botella y propio el tubo.

En la parte izquierda de la figura, se muestra la situacin inicial. En la parte derecha, la situacin al cabo de un cierto tiempotdespus de conectar la resistencia a una batera.

La resistencia elctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variacin de altura del agua en el tubo vertical graduado.

El experimento consiste en medir la energa necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presin constante.

En el estado inicial tenemos una masaMde hielo de densidadh=0.917 g/cm3en un volumenV0.

M=hV0Al cabo de un cierto tiempot,una masa mde hielo se ha convertido en agua de densidada=1.0 g/cm3, El volumenVdel sistema disminuye

La variacin de volumen, en valor absoluto, es

Para fundir una masa mde hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor

Q=LfmDondeLfes el calor latente de fusin

Al disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en V=Sh

Podemos medir el calorQque suministra la resistencia elctrica en el tiempot.

Q=i2RtMedimos la variacin de la altura hde agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusinLfEjemplo:

La seccin del tubo vertical valeS=0.1782 cm2 La densidad del hieloh=0.917 g/cm3 La densidad del aguaa=1.0 g/cm3Se precisanQ=13140 J para que el nivel de agua en el tubo vertical disminuya h=20 cm

Actividades

Se ha fijado

La seccin del tubo vertical valeS=0.1782 cm2 La densidad del hieloh=0.917 g/cm3 La densidad del aguaa=1.0 g/cm3Se introduce

La potenciaP=i2R W, actuando en la barra de desplazamiento tituladaPotenciaSe pulsa el botn tituladoEmpiezaSe observa que a medida que se va fundiendo el hielo y convirtindose en agua en el recipiente, va descendiendo el nivel de agua en el tubo vertical de vidrio.

En la parte derecha del applet, hay un contador de la energa disipada por la resistencia que funde el hielo.

ii) Cambios de estado o fase de las sustanciasComo se acaba de mostrar, para producir que la temperatura de una masa m de sustancia cambie en (T, se le podra, por ejemplo, agregar una cantidad de energa dada por y manteniendo la temperatura adecuada, producir su cambio de estado o fase agregndole una cantidad de energa dada por . De todas las sustancias la ms estudiada es el agua por su gran importancia para la vida y su muy variada aplicacin industrial, contndose no solo con curvas Q-T sino con aquellas donde se vinculan p-V-T.? Como seria una curva Q-T para el agua.

? Como intervienen las cantidades p y V en las curvas Q-T para el agua.

5.6) Procesos de transferencia de calorCuando se degusta una taza de caf caliente se pueden observar 3 hechos interesantes; la calidez de la taza, el calor que emana de ella y a medida que bebemos como el caf superficial es mas caliente que el interno. Estas 3 sensaciones de calor son perfectamente explicadas por los mecanismos de transferencia denominados, conduccin, radiacin y conveccin, los cuales explicaremos a continuacin,

i) Conduccin

Es el proceso de transferencia de calor preponderante en slidos metlicos y en menor medida es slidos aislantes y gases. Supongamos que se coloca una barra conductora de cargo L y rea transversal A, aislada adecuadamente, entre dos focos de temperaturas T1 y T2, con T1 > T2, L

T1 T2

Q

T

x

0 x L

En estado estable, esto es cuando la temperatura es constante en todo x, la rapidez de transferencia de calor es constante y descrita por,

donde k, es la constante de conductividad trmica del material de la barra. Ejemplo:

Ahora, de ser H constante, se podra escribir,

la cual permitir hallar ,

Observacin: Valor R del material, til para describir aislamientos,

Ejemplo: R (espacio de aire de 8,9 cm de espesor) ( 1,01

ii) Conveccin

Es el mecanismo de conduccin propio de los fluidos. Los modelos de descripcin son de especial complicacin matemtica.? Como se calienta el agua que se pone a hervir.1. Saber qu tipo de ebullicin estas buscando. Escalfar, cocer a fuego lento y hervir son tcnicas ligeramente diferentes. Escalfar es una manera ms suave y lenta, se utiliza en alimentos delicados tales como: huevos, pescado y frutas. Cocer a fuego lento es a una temperatura ms alta, se muestran unas cuantas burbujas pequeas alcanzando la superficie. Y usualmente se usa para alimentos que necesitan ms tiempo para ser cocinados. La ebullicin o hervir es cuando el agua se pone tan caliente y se empieza a evaporar en vapor. (La temperatura exacta vara segn la altitud, como se explica en el siguiente paso.) Lleva el agua a cualquier estado que te diga la receta y mantenla ah. No tapes la olla si estas escalfando o cociendo a fuego lento porque la temperatura puede aumentar a punto de ebullicin. Remueve si es necesario si el agua se empieza a calentar demasiado.2. Considera la altitud del lugar donde te encuentras. A mayor altitud, el agua hierve a una temperatura ms baja, por lo que necesitas cocinar los alimentos por ms tiempo.Si estas cocinando algo que tenga instrucciones, busca alguna nota que explique acerca de la altitud lo cual te dir los ajustes que se necesitan hacer.

En altitudes especialmente altas (Como en montaas), es posible que algo hierva durante horas y horas y que nunca se cocine. Tendrs que utilizar una olla de presin.

Puesto que los lquidos se evaporan ms rpido a mayor altura, podras agregar un poco de agua extra para que se compense.

? Como influye la conveccin en la dinmica atmosfrica.La conveccin en la atmsfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las tpicas portadoras de tormentas elctricas y de grandes chaparrones.El proceso que origina la conveccin en el seno de la atmsfera es sumamente importante y genera una serie de fenmenos fundamentales en la explicacin de los vientos y en la formacin de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de conveccin del calor atmosfrico obedecen a las leyes fsicas de la Termodinmica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la Naturaleza o ciclo hidrolgico. Casi todos los fenmenos antes nombrados, tienen que ver con este ltimo mecanismo.

? La conveccin esta vinculada a los huracanes.La conveccin es un proceso por el cual se desarrollan las tormentas, las tormentas tropicales y huracanes. Tambin es una parte importante de los monzones. Cuando la conveccin es intensa el aire clido y hmedo se eleva en la atmsfera a grandes alturas. Este aire que se eleva se enfra, formando nubes y lluvia. Sin embargo, permanece ms clido que el aire del entorno que lo rodea, as se calienta la atmsfera. Temperaturas ms clidas generan alta presin en la parte alta de la atmsfera y bajas presiones en niveles bajos de la atmsfera, que acelerar la entrada de ms aire clido y hmedo en la regin y, posteriormente, realza el flujo saliente en la alta atmsfera, manteniendo la conveccin.

En la regin de los monzones, la conveccin amplia y generalizada afecta a los sistemas de vientos, temperatura y presin del aire de la zona y de reas limtrofes, incluso a grandes distancias. Los monzones ms intensos realzan la conveccin con el incremento del flujo en niveles bajos de entrada en dichas regiones e incrementa el flujo saliente en niveles altos. Lo contrario ocurre con dbiles monzones: dbiles vientos en capas bajas entrantes que mantendrn escasas zonas convectivas.

? Algn modelo matemtico para describir este mecanismo.iii) RadiacinTodo cuerpo es capaz de emitir energa radiante dependiendo de su temperatura y de sus caractersticas constitutivas. Consideremos un cuerpo que exhibe una rea A y se encuentra a la temperatura absoluta T, entonces, la potencia con la cual radia esta dada por la ecuacin de Stefan-Boltzmann,

Donde,

La emisividad, (, depende de la naturaleza de la superficie A, la cual puede comportarse como un emisor perfecto con (=1 o absorbente perfecto con (=0.

Este mecanismo de transferencia de energa es extremadamente importante si tenemos en cuenta que nuestra querida Tierra se provee de tal desde el Sol. Las tecnologas para poder aprovechar esta energa gratuita se desarrollan intensamente y se espera una galopante campaa de auspicio para poder dotarnos de esta forma de energa, energa que en la Tierra es cada vez ms escasa y por consiguiente cara.? De que formas aprovechamos la energa radiante del Sol.El Sol es una fuente energtica prcticamente infinita para nuestra Tierra que est en dficit energtico. Es el responsable en gran parte de la vida, influyendo directamente en las funciones vitales de los animales y sobre todo de las plantas.

- Existen multitud de gadgets que hoy en da funcionan con energa solar. Es una manera de olvidarse de las pilas o bateras y ser eficientes energticamente. Los mviles mp4 y porttiles del futuro funcionarn de esta forma.

? Como se transforma la energa del Sol al llegar a la Tierra.La recogida natural de energa solar se produce en la atmsfera, los ocanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energa del Sol, los ocanos y la atmsfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energa elica utilizan hlices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseo aerodinmico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red elctrica de una regin o comunidad.

Casi el 30% de la energa solar que alcanza el borde exterior de la atmsfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energa potencial de las corrientes de montaa y de los ros. La energa que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energa hidroelctrica. Vase tambin Presa; Meteorologa; Suministro de agua.

Gracias al proceso de fotosntesis, la energa solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fsiles que desde el punto de vista geolgico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano tambin pueden extraerse de la biomasa.

Asimismo, los ocanos representan un tipo natural de recogida de energa solar. Como resultado de su absorcin por los ocanos y por las corrientes ocenicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinmicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energa que extrae energa de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor (vase Termodinmica). La diferencia entre estas energas se manifiesta como energa mecnica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversin de energa trmica ocenica (CETO), requieren enormes intercambiadores de energa y otros aparatos en el ocano para producir potencias del orden de megavatios. Vase tambin Ocanos y oceanografa.

? Como la radiacin de energa produce bienestar.Las culturas antiguas consideraban que los baos de sol son benficos para la salud. Actualmente se reconoce que la exposicin sana al sol proporciona diversos beneficios, como son:Mejora en la respuesta muscular

Mejora la resistencia en pruebas de tolerancia

Disminuye la presin sangunea

Incrementa la respuesta inmunolgica

Reduce la incidencia de infecciones respiratorias

Baja el colesterol de la sangre

Incrementa la hemoglobina de la sangre

Mejora la capacidad de trabajo cardiovascular

Estimula las terminaciones nerviosas

Mejora la respiracin, especialmente en asmticos

Promueve la sntesis de vitamina D para calcificar huesos

La falta de vitamina D, calcio y sales fosfatadas en la dieta, adems de la falta de exposicin a la luz del sol, est asociada con casos de raquitismo. La tuberculosis de la piel o lopus vulgaris es otra enfermedad asociada a falta de exposicin al sol y es comn en poblaciones del norte de Europa, donde luz del sol es dbil durante largos perodos de tiempo.

? Conoce la tecnologa fotovoltaica.Actualmente la fotovoltaica ya es competitiva para electrificar emplazamientos relativamente alejados de las lneas elctricas como, por ejemplo, viviendas rurales, bombeo de agua, sealizacin, alumbrado pblico, equipos de emergencia, etctera.

Todava la produccin de energa fotovoltaica es muy reducida en comparacin con el resto de las fuentes de energa para la produccin de electricidad. En el ao 2001 segn IDAE fue de 28,1 GWh, pero el Plan de Fomento prev un incremento en el ao 2010 de 217,8 GWh y 143,7 MW de potencia instalada.

La energa solar fotovoltaica ha ganado una gran popularidad en los ltimos tiempos, en parte debido a que instituciones pblicas y gobiernos estatales estn subvencionndola en varios estados europeos, en previsin de que ser una fuente de energa necesaria en un futuro prximo, para cambiar de modelo energtico, tanto por los costes como por las emisiones de CO2.

La evolucin tecnolgica est mejorando progresivamente los rendimientos de las clulas.

Este tipo de energa se utiliza para abastecer de electricidad a numerosos poblados y fbricas en Senegal, Jordania, Brasil, Filipinas, Indonesia y Chile. La produccin mundial asciende a 60 megavatioshora al ao

Vistas las ventajas incomparables de este tipo de energa, tanto a nivel ecolgico, como econmico o puramente prctico, se puede pensar que sta ser una de las grandes energas del future.

Al contrario de lo que sucede con los grupos electrgenos, los sistemas fotovoltaicos no requieren abastecimiento de combustible, son totalmente silenciosos, apenas requieren mantenimiento y tienen una vida til mucho ms larga.

Prcticamente el nico mantenimiento que se requiere es controlar el nivel del electrolito en la batera y aadirle agua destilada cada cierto tiempo.

La duracin de una batera de tipo estacionario oscila entre 10 y 15 aos. Los paneles solares tienen una duracin muy superior (los fabricantes ofrecen garantas de hasta 25 aos).

Utilizan una fuente de energa renovable (la radiacin solar), lo que quiere decir que a la escala temporal humana es inagotable, al contrario de lo que sucede con las fuentes de energa convencionales que dependen de un recurso que es limitado (petrleo, carbn, gas natural, etc).

Producen electricidad sin necesidad de ningn tipo de reaccin o combustin, evitando la emisin a la atmsfera de CO2 u otros contaminantes responsables entre otros fenmenos, del calentamiento de la atmsfera (efecto invernadero).

? Que fuentes de energa renovables conoce.LasFuentes de energa renovablesson aquellas que, tras ser utilizadas, se pueden regenerarde manera natural o artificial. Algunas de estas fuentes renovables estn sometidas a ciclos que se mantienen de forma ms o menos constante en la naturaleza.

Existen varias fuentes de energa renovables, como son:

Energa mareomotriz (mareas)

Energa hidrulica (embalses)

Energa elica (viento)

Energa solar (Sol)

Energa de la biomasa (vegetacin)

5-1) Ejercicio: Un termmetro de gas a volumen constante se calibra en hielo seco (que es dixido de carbono en estado slido y tiene una temperatura de -80,0 C) y en el punto de ebullicin del alcohol etlico (78,0 C). Las dos presiones son 0,900 atm y 1,635 atm, a) Qu valor de cero absoluto produce la calibracin?, b) Cul es la presin en i) el punto de congelacin del agua, y ii) el punto de ebullicin del agua?5-2) Ejercicio: Una barra de acero de 4,0 x 10-2 m de dimetro se calienta de modo que su temperatura aumenta en 70 C, y despus se fija entre dos soportes rgidos. Se deja que la barra se enfre hasta su temperatura original. Suponiendo que el modulo de Young para el acero es 20,6x1010 N/m2 y que su coeficiente promedio de expansin lineal es 11x10-6 C-1, calcule la tensin en la barra.

5-3) Ejercicio: A 20 C, un anillo de aluminio tiene un dimetro interior de 5,000 cm, y una barra de latn tiene un dimetro de 5,050 cm, a) Hasta que temperatura debe calentarse el anillo de modo que se deslice apenas sobre la barra?, b) A que temperatura deben calentarse ambos de manera que el anillo apenas deslice sobre la barra? El ultimo proceso funcionaria?4) Ejercicio: El elemento activo de cierto lser esta hecho de una barra de vidrio de 30,0 cm de largo por 1,5 cm de dimetro. Si la temperatura de la barra aumenta en 65 C encuentre el aumento en, a) su longitud, b) su dimetro y c) su volumen. (Considere ( = 9,0x10-6 C-1) 5) Ejercicio: Un tanque lleno de oxigeno (O2) contiene 12,0 kg de oxigeno bajo una presin manomtrica de 40,0 atm. Determine la masa de oxigeno que se ha extrado del tanque cuando la lectura de presin es e 25,0 atm. Suponga que la temperatura del tanque permanece constante.6) Ejercicio: La masa de un globo aerosttico y su cargamento (sin incluir el aire interior) es de 200 kg. El aire exterior esta a 10 C y 101 kPa. El volumen del globo es de 400 m3, A que temperatura debe calentarse el aire en el globo antes de que este empiece a ascender? (La densidad del aire a 10 C es de 1,25 kg/m3)7) Ejercicio: La llanta de un automvil se infla usando aire originalmente a 10 C y presin atmosfrica normal. Durante el proceso, el aire se comprime hasta 28 % de su volumen original y la temperatura aumente a 40 C, a) Cul es la presin de la llanta?, b) Despus que la llanta se maneja a alta velocidad, la temperatura del aire dentro de la misma se eleva a 85 C y su volumen interior aumenta en 2%, Cual es la nueva presin (absoluta) de la llanta en pascales?

8) Ejercicio: Una ventana de cristal trmico de 6,0 m2 de rea est constituido con dos hojas de vidrio, cada una de 4,0 mm de espesor separadas por un espacio de aire de 5,0mm. Si el interior est a 20C y el exterior a -30C, Cul es la prdida de calor a travs de la ventana?

80,0C Au Ag 30,0C

Aislacin

9) Ejercicio: Una barra de oro est en contacto trmico con una barra de plata de la misma longitud y rea (fig.). Un extremo de la barra compuesta se mantiene a 80,0C mientras que el extremo opuesto est a 30,0C. Cuando el flujo de calor alcanza el estado estable, encuentre la temperatura en la unin. Considere kAu= 314 W/mC y kAg= 427 W/mC.

L

1

T( Th

2 Aislacin

10) Ejercicio: Dos barras de la misma longitud pero de diferentes materiales y reas de seccin transversal se ponen una al lado del otra, como en la Fig. Determine la tasa de flujo de calor en trminos de la conductividad trmica, y el rea de cada barra. Generalice esto a varias barras.

11) Ejercicio: El muro de ladrillos (k = 0,80 W/m.C) de un edificio tiene dimensiones de 4, m x 10,0 m y su espesor es de 15 cm. Cuanto calor (en joules) fluye a travs del muro en un periodo de 12 h cuando las temperaturas promedio interior y exterior son, respectivamente, 20C y 5C?.

12) Ejercicio: Una caja con un rea de superficie total de 1,20 m2 y una pared de 4,00 cm de espesor est hecha con una material aislante. Un calefactor elctrico de 10,0 W dentro de la caja mantiene la temperatura interior en 15,0C arriba de la temperatura exterior. Encuentre la conductividad trmica k del material aislante.

13) Ejercicio: El techo de una casa construido para absorber la radiacin solar incidente sobre l tiene un rea de 7,0 m x 10,0 m. La radiacin solar en la superficie terrestre es de 840 W/m2 . En promedio, los rayos solares forman un ngulo de 60 con el plano del techo.

a)Si 15% de la energa incidente se convierte en potencia elctrica til, Cuntos kilowatt-hora por da de energa til brinda esta fuente? Suponga que el Sol brilla durante un promedio de 8,0 h/da,

b) Si el usuario residencial promedio paga 6 centavos de dlar por kWh, Cul es el ahorro econmico con esta fuente energtica por da?

14) Ejercicio: Calcule el valor R de a) una ventana hecha con un solo cristal de 1/8 pulg de espesor, y b) una ventana de cristal trmico formada con dos cristales individuales, cada uno de 1/8 pulg de espesor y separados por un espacio de aire de pulg. C) En qu factor se reduce la prdida de calor si se utiliza la ventana trmica en lugar de la ventana de un solo cristal?PAGE 269

Mg. Percy Vctor Caote Fajardo

_1290320856.unknown

_1290325660.unknown

_1307827977.unknown

_1307831431.unknown

_1307831641.unknown

_1307830913.unknown

_1307829784.unknown

_1290325847.unknown

_1307827592.unknown

_1307827952.unknown

_1290329401.unknown

_1290325682.unknown

_1290325716.unknown

_1290322758.unknown

_1290324403.unknown

_1290324643.unknown

_1290322945.unknown

_1290321794.unknown

_1290321806.unknown

_1290321281.unknown

_1290305831.unknown

_1290312508.unknown

_1290320189.unknown

_1290320288.unknown

_1290319327.unknown

_1290312561.unknown

_1290311128.unknown

_1290312275.unknown

_1290310544.unknown

_1290284123.unknown

_1290284409.unknown

_1290283982.unknown