TEMPERATURA, PROPIEDADES TERMICAS Y FLUJO DE CALOR Lic. Fis. Jorge Huayta
Fis JORGE HUAYTA
TEMPERATURA: escalas de temperatura
Fis JORGE HUAYTA
Temperatura La noción de temperatura se basa en la sensación cualitativa de frío o caliente que nos proporciona el sentido del tacto. La temperatura es un concepto inherentemente macroscópico, involucra un comportamiento colectivo de las moléculas del sistema.
Fis JORGE HUAYTA
Temperatura (T) • Es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media). • Es una medida de la energia molecular media • Magnitud que describe cuantitativamente el estado térmico del sistema.
Fis JORGE HUAYTA
Escalas termometricas
Fis JORGE HUAYTA
Escalas termométricas. Centígrados o Celsius (ºC) Es la usada normalmente. Usa el “0” el punto de fusión del agua y “100” el punto de ebullición de la misma. Como la diferencia entre estos valores es de 100° la escala se llamó también escala centígrada (cien grados)
Absoluta (Kelvin) (K) K = ºC + 273,15 K
•Usa el “273” el punto de fusión del agua y “373” el punto de ebullición de la misma. •Cada ºC equivale a 1 K. Simplemente, la escala está desplazada. •0 K (–273 ºC) es la temperatura en la cual las partículas carecen de movimiento se conoce como Cero Absoluto. Fis JORGE HUAYTA
Escalas termométricas La temperatura se mide en dos escalas distintas absolurta y relativa . Su unidad de medida en SI: es kelvin Fahrenheit (ºF) ºF = (2/5) ºC + 32 • Usa el “32” el punto de fusión del agua y “212” el punto de ebullición de la misma. • 100 ºC equivalen a 180 ºF • igual tamaño que la escala Rankine • distinto cero que Rankine Absoluta Rankine ºR = F + 459,67
• Igual cero que la escala Kelvin • Grado inferior Fis JORGE HUAYTA
Medida de Temperatura y escalas termométricas
Fis JORGE HUAYTA
Escalas de temperatura Cada escala considera dos puntos de referencia, uno superior y el otro inferior, y un numero de divisiones entre las referencias señaladas
Escala Celsius 0º Cpunto congelación agua a 1 atm. 100º Cpunto ebullición agua a 1 atm.
Escala Fahrenheit 32º Fpunto congelación agua a 1 atm. 212º Fpunto ebullición agua a 1 atm.
5 C ( F 32) 9
9 F C 32 5
Fis JORGE HUAYTA
Conversión entre escalas. F – 32 C ºK – 273 ——— = —— = ———— 180 100 100 F – 32 C ——— = — 9 5
;
F – 32 ºK – 273 ——— = ———— 9 5
ºK = ºC + 273,15
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo: Un inglés te dice que tiene fiebre porque tiene 104 ºF. ¿Cuántos grados centígrados son? y ¿Cuántos kelvins? F – 32 C 5·(F – 32) ——— = — C = ————— = 9 5 9
5·(104 – 32) ————— 9
C = 40 ºC
K = C + 273,15 = 40 + 273,15 = 313.15 K Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio a) Una cuchara a la temperatura del ambiente se introduce en un plato con sopa caliente. ¿Qué sucede con la temperatura de la cuchara? ¿Qué sucede con la temperatura de la sopa? b) ¿Un termómetro indica su propia temperatura o la del objeto que se está midiendo? c) ¿Qué significa el factor 9/5 en la fórmula de conversión de la escala Celsius a la escala Fahrenheit? Fis JORGE HUAYTA
Termómetros Los termómetros todos miden la agitación térmica de las moléculas. Un termómetro es un dispositivo que permite la cuantificación de la temperatura (en un material que posea una propiedad termométrica). Para esto relacionamos una propiedad cuantitativa (valor de una de sus variables) del objeto que se usará como termómetro con la temperatura.
Por ejemplo: los termómetros que se basan en la dilatación (longitud) de los líquidos (normalmente mercurio), el potencial eléctrico, la resistencia eléctrica, la cantidad de radiación emitida, etc. TIPOS: Termometro de mercurio (longitud) Termopar (Potencial eléctrico) Resistencia de Platino. (Resistencia) Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo: termómetro de mercurio Propiedad termométrica: altura de una columna de mercurio Se calibra introduciéndolo en un baño de agua y hielo (L0) y en agua en ebullición (L100). Temperatura medida cuando se llega a una altura L
L L0 Tc 100 L100 L0
Puede haber diferencias de calibración a altas y bajas temperaturas Fis JORGE HUAYTA
L100 L
L0
Termómetros de gas y temperatura absoluta Gas de baja densidad a volumen constante La presión es una propiedad termométrica. P
p po ºC 100 p100 p0
-273.15º C 0º K
K C 273.15 o
Escala de temperaturas absoluta o de Kelvin
Fis JORGE HUAYTA
T
Ejercicio
Fis JORGE HUAYTA
COMPORTAMIENTO DE LOS GASES IDEALES
Fis JORGE HUAYTA
Ecuaciones de Estado de un gas ideal p, V, T y n no son independientes. Ecuación de estado f( p, V, T, n) = 0
p
Ley de Boyle: T2
pV = const. (a T = const.) T1
V Fis JORGE HUAYTA
Ecuaciones de Estado de un gas ideal
p2
Ley de Charles – Gay Lussac:
V
p1
V const (a p const ) T T
Fis JORGE HUAYTA
Ley de los gases ideales
pV nRT Número de moles
R 8.3143 J / mol º K
R 0.082 atm l / mol º K
R N A kB N A 6.023 10
Constante de los gases
23 Número
de Avogadro
Constante de Boltzmann 23
k B 1.831 10
Fis JORGE HUAYTA
J /K
Unidad de Masa Atomica (uma) • Los atomos tienen masas extremadamente pequeñas. • Las masa relativas de los atomos se comparan usando el isotopo 12C como base. • El isotopo 12C tiene una masa de exactamente 12 unidades de masa atomica (= 12 uma). • La masa atomica de cualquier atomo es determinado relativo al isotopo 12C. • Una unidad de masa atomica (uma), es igual a 1/12 de la masa de un atomo del 12C. 1 uma = 1.66056 x 10-27 kg
Fis JORGE HUAYTA
Temperatura y energias moleculares
Fis JORGE HUAYTA
Mecánica estadística Cada sistema macroscópico tiene un gran número de partículas necesidad de la estadística para estudiarlo. Las observaciones macroscópicas (P, V, T) corresponden a promedios estadísticos de las coordenadas microscópicas (x, v). Cada estado macroscópico es compatible con un gran número de estados microscópicos. Fis JORGE HUAYTA
Función de distribución de Boltzmann 3
mv2 2 2 kT
4 m f (v ) ve 2kT 2
• Distribución de velocidades de un gas depende de la temperatura
Fis JORGE HUAYTA
Función de distribución de Boltzmann Nro. de partículas con velocidades entre v y v+dv
dN N f (v) dv
Velocidad más probable df (v) dv
Velocidad media
0
v v f (v) dv 0
vp
2kT m
8kT vm v m
Velocidad cuadrática media
v v f ( v ) dv 2
2
v rm s v
0
Fis JORGE HUAYTA
2
1
2
3kT m
Principio de equipartición Energía cinética promedio para N partículas 1 1 1 2 Ec Ec N m v N 3( kT ) n 3( RT ) 2 2 2 La temperatura absoluta es una medida de la energía cinética de traslación media (3 grados de libertad) de las moléculas Principio de equipartición: En un sistema en equilibrio existe una energía media de kT/2 por molécula o RT/2 por mol asociado a cada grado de libertad. Fis JORGE HUAYTA
Teoria cinetica de los gases
Fis JORGE HUAYTA
Modelo de Gas ideal Modelo basado en observaciones macroscópicas de un sistema microscópico.
Variables macroscópicas: • Presion: p • Temperatura T
Fis JORGE HUAYTA
Teoría cinética de los gases (suposiciones) • Cualquier volumen macroscópico de gas contiene un gran número de moléculas. • Las moléculas están separadas distancias grandes comparadas con su dimensión y están en movimiento continuo. • Las moléculas no ejercen fuerzas unas sobre otras ( entre colisiones se mueven en línea recta) • Colisiones elásticas. • Distribución de Boltzmann de velocidades. • No hay posición ni dirección preferida.
Fis JORGE HUAYTA
Presión por N moleculas Se debe a la colisión de las moléculas con las paredes
Fx 1 p x p A A t vx
Número de partículas nA que llegan en tiempo Δt a la pared.
N1 nA A v x t V 2
Densidad de partículas
Volumen
Sólo la mitad van hacia
Cambio de momento en un choque p 2mv Fx
Una única molécula
x
t
A
x
t
vx Δt
Presión por N moléculas de masa m en un recipiente de volumen V nA
Fis JORGE HUAYTA
Fx N p m v x2 A V
Ecuación de los gases ideales Se debe considerar una velocidad promedio pV Nm vx2
La dirección x no es una dirección especial 1 v v v v 2 3 2 x
2 y
1 2 2 PV Nm v Ec 3 3
2 z
1 1 Ec N 3( kT ) n 3( RT ) 2 2
PV NkT nRT Fis JORGE HUAYTA
PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA
Fis JORGE HUAYTA
Equilibrio termico Dos sistemas están en contacto térmico, cuando hay posibilidad de intercambio de calor entre ellos. Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menor temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanzan asi lo que llamamos equilibrio termodinamico. Los sistemas que están en equilibrio térmico no intercambian calor, aun estando en equilibrio térmico. Fis JORGE HUAYTA
Ley Cero de la Termodinámica “Si dos sistemas termodinámicos, A y B, están cada uno en equilibrio termodinámico con un tercer sistema, C, estarán en equilibrio termodinámico entre ellos.” Nota: Dos sistemas están en equilibrio termodinámico si y solo si están a la misma temperatura. Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio
Fis JORGE HUAYTA
Equilibrio termico
Fis JORGE HUAYTA
DILATACION TERMICA
Fis JORGE HUAYTA
Expansion térmica o contracción termica Es el resultado del aumento o disminución de la distancia relativa entre los atomos de una sustancia producto de un cambio de temperatura La expansión puede ser lineal, superficial o cubica. Casi todos los materiales se expanden al incrementar su temperatura. Este fenómeno se debe a que al incrementar la amplitud de la oscilación de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio, en promedio ocupan más espacio.
Fis JORGE HUAYTA
Dilatacion lineal Es aquella en la que predomina la variación en una dimensión de un cuerpo, es decir, el largo Sea, una varilla que a temperatura T0 tiene una longitud L0. Experimentalmente se observa que cuando la temperatura se incrementa en T la longitud de la varilla se incrementa de manera proporcional no solo a T sino además a la longitud inicial L0.
L L0 T es el coeficiente de expansión lineal. Fis JORGE HUAYTA
Coeficientes de dilatacion lineal (1/K, 1/ºC)
Aluminio
2,4 x 10-5
Acero
1,2 x 10-5
Vidrio
0,4 a 0,9 x 10-5
Cuarzo
0,04 x 10-5
Fis JORGE HUAYTA
Dilatacion superficial y volumétrica Si consideramos materiales en dos y tres dimensiones, la variación que sufre el área y volumen del objeto sigue un comportamiento semejante al observado en una dimensión:
V V0 T
A A 0T
2 β : Coeficiente de expansión superficial
3 γ : Coeficiente de expansión volumetrica
Fis JORGE HUAYTA
Coeficientes de dilatacion de volumen Aluminio
7,2 x 10-5
Acero
3,6 x 10-5
Vidrio
1,2 a 2,7 x 10-5
Cuarzo
0,12 x 10-5
Fis JORGE HUAYTA
Dilatación Lineal: Superficial: Cúbica:
l = l0·(1 + α ·T) S = S0·(1 + β ·T) V = V0·(1 + γ ·T)
Para un mismo material: β = 2α; γ = 3α.
Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Una barra de aluminio mide 45 cm a 20 ºC. ¿Qué longitud en centímetros tendrá si la calentamos hasta 180 ºC?. El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 2,5 ·10–5 ºC–1
Fis JORGE HUAYTA
Solucion l = l0·(1 + α ·T) l = 0,45 m·[1 + 2,5 ·10–5 ºC–1·(180ºC – 20ºC)] l = 0,450675 m = 45,0675 cm
Fis JORGE HUAYTA
Dilatación en los gases Para todos los gases el coeficiente de dilatación cúbica se denomina “γ” y vale “1/273 K–1. Sea T0 0 o C 273 K ;
1 ( K 1 ) 273
1 V V0 1 T V0 1 (T To ) 273 T V V0 1 1 V 273 Vo T 273
V Vo T To
Ley de Chales Gay-Lussac:
Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio a) Si sacamos un cubo de hielo del congelador y está a –10°C y lo colocamos en un vaso con agua, ¿por qué el hielo se rompe? b) Si el diámetro interior de un anillo de acero es menor que el diámetro del eje que hay que encajar, ¿cómo se podría deslizar por el anillo? c) Si llena con agua hasta el tope el radiador de su auto cuando está frío el motor, ¿qué sucederá cuando lo ponga en marcha y se caliente? Fis JORGE HUAYTA
CALOR
Fis JORGE HUAYTA
Calor y temperatura. Calor es la forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperaturas. Cuando un cuerpo recibe calor puede: • Aumentar su temperatura. En este caso, el calor recibido dependerá de: – Lo que se quiera aumentar T: (T) – De la masa a calentar (m) – Del tipo de sustancia (ce : calor específico) • Cambiar de estado físico. En este caso la temperatura no varía, y el calor recibido dependerá de: – De la masa a cambiar de estado (m) – Del tipo de sustancia (Lf o Lv : calor latente de fusión o vaporización) Fis JORGE HUAYTA • Ambas casos.
Calor especifico Cantidad requerida de calor para cambiar la temperatura de un gramo de una muestra de sustancia en un grado Celsius.
C Q Ce m mT
Calor específico:
cal goC
Q m ce T Fis JORGE HUAYTA
J kg.K
Calor especifico de algunas sustancias ¿Porque el agua demora en hervir en una cocina, aunque el recipiente que lo contiene alcanza una temperatura alta con gran rapidez?
Rpta. El agua necesita mas calor que el recipiente (aluminio o vidrio) para aumentar su temperatura en 1 ºC. Fis JORGE HUAYTA
Cantidad de calor Al adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase)
La cantidad de energía necesaria para elevar la T de un sistema Q = C T = m ce T donde C es la capacidad térmica o calorífica, ce calor especifico y m la masa del sistema Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo
Presa de la gripe, un hombre de 80,0 kg ha llegado a tener una temperatura corporal de 39,0 ºC. ¿Cuánto de calor se requirió para elevar su temperatura a tal cantidad?. Considerar que la temperatura inicial fue de 37 ºC.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion La cantidad de calor es:
Q m ce T Q (80.0kg )(3480 J / kg º C )(39,0 37,0)º C Q 133 kcal
Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio En un frio dia de invierno cuando la temperatura es de -20 ºC, ¿Cuánto calor se necesita para calentar a temperatura corporal 37 ºC los 0,5 l de aire intercambiados con cada respiración?, ¿Cuánto calor se pierde por hora si se respira 20 veces por minuto?. (ce aire = 1020 J/kgºC)
Rpta a) 38 J b) 4,5x104 J 1,0 l de aire tiene una masa de 1,3x10-3 kg
Fis JORGE HUAYTA
Equilibrio térmico. Si un cuerpo adquiere calor, es porque otro lo cede, esto es:
Qabsorbido = – Qcedido Sea A el cuerpo de menor temperatura (absorberá calor) y el B de mayor temperatura (cederá calor). Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (Teq): mA· ceA· (Teq– T0A) = – mB· ceB· (Teq– T0B) O también: mA· ceA· (Teq– T0A) = mB· ceB· (T0B –Teq) Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120ºC en un recipiente con 0,5 litro de agua a 18ºC. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion a) mA· ceA· (Teq– T0A) = – mB· ceB· (Teq– T0B)
0,5 kg 4180 J / kg K (Teq 18º C) 0,2 kg 460 J / kg K (120º C Teq ) Resolviendo la ec. obtenemos: Teq= 22,3ºC b) Qcedido = mA· ceA· (Teq– T0A) =
Qcedido 0,2 kg 460 J / kg K (22,3º C 120 º C ) 8990 J El signo (–) indica que es cedido. 8990 J
Fis JORGE HUAYTA
Medida del Calor
Fis JORGE HUAYTA
Medida del calor y Calor especifico Al adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase) La cantidad de energía necesaria para elevar la T de un sistema Q = C T = m ce T donde C es la capacidad térmica o calorífica y m la masa del sistema Capacidad calorífica “cantidad de energía necesaria para aumentar un grado la temperatura de una sustancia” ce = C/m; ce calor específico o capacidad térmica por unidad de masa El calor específico del agua es grande Excelente capacidad de almacenaje de energía térmica Excelente refrigerante (capaz de absorber mucho calor)
Puede depender de la temperatura (el del agua aproximadamente 1% de 0 - 100 ºC) Fis JORGE HUAYTA
Unidades de calor
Equivalencias: Unidad de energía: 1 cal = 4,186 J 1BTU (British thermal unit) = 252 cal Fis JORGE HUAYTA
Calorimetro y Calores especificos
Calorímetro: aparato para medida del calor (agua: Qperdido= Qganado) Calores especificos: cv: calor específico a volumen constante (sin dilatación) cp: calor específico a presión constante cp > cv en sólidos y líquidos hay poca diferencia, en gases muy grande Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Se introducen 53,9 g de H2O a 100 ºC en calorímetro de cobre de 500 g de masa que se encuentra a la temperatura de 20º C. Si no hay ganancia ni perdida de calor con el exterior. ¿Cual será la temperatura de equilibrio? Ce Cu =0,093 cal/gºC.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion Utilizamos el teorema fundamental de la calorimetría en donde: Qganan cuerpos fríos = Q pierden cuerpos calientes Con lo que podemos calcular la temperatura de equilibrio (Teq). Q1 : calor ganado por el calorímetro. Q2 : calor perdido por el H2O
Q1 Q2 M c Cecu Teq T1 M H 2O CeH 2O Teq T2 cal 1 cal Teq 20º C 53,30 g 100 Teq 500 g 0,093 g º C g º C
46,5Teq 930 cal 5350 cal 53,5Teq Teq 62,8º C Fis JORGE HUAYTA
Calor latente
Fis JORGE HUAYTA
Medida del calor y Calor especifico Para el agua T ºC
Vaporización 100 ºC
Fusión 0ºC
Fis JORGE HUAYTA
Tiempo
Calor latente La energía se invierte en variar la energía potencial del sistema. En sustancias puras el cambio se da a temperaturas determinadas Q = m Lf, v Es la cantidad de calor precisa para fundir o vaporizar una masa m. Lf calor latente de fusión; Lv calor latente de vaporización
Fis JORGE HUAYTA
Calor latente • Los cambios de fase se dan por absorción de calor sin cambio de T. • Todos los cambios de fase implican cambios en la energía interna. • El calor que se requiere para cambiar la fase se llama calor de transformación. • El calor de transformación o cambio de fase de una masa m esta dado por: Q = m·L Fis JORGE HUAYTA
Cambios de fase Calor de vaporización: Calor necesario para que 1 g de sustancia pase de líquido a gaseoso Calor de fusión: Calor necesario para cambiar 1 g de sustancia a estado líquido.
A presion atmosferica el calor latente de fusion Lf necesario para fundir el hielo es Lf = 79,7 kcal/kg = 3,34x105 J/kg y el calor latente de vaporización (hervir agua a p const.) es LV = 539 kcal/kg = 2,256x106 J/kg Fis JORGE HUAYTA
Calores latente Lf (kJ/kg)
Fusion (oC)
Lv (kJ/kg)
Evaporacion (oC)
Agua
333
0
2260
100
Alcohol
104
-114
850
78
Aluminio
90
660
11386
2450
Cobre
134
1083
5065
1187
Mercurio
12
-39
272
357
Nitrogeno
25
-114
200
-196
Plata
88
961
2300
2193
Plomo
25
327
670
1750
Sustancia
Ejemplo Calcular el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica. (LF = 3,34 ·105 J/kg; LV = 2,26 ·106 J/kg)
Fis JORGE HUAYTA
Solucion El calor total será la suma del necesario para pasar de hielo a –10ºC a hielo a 0ºC (Q1), de fundir el hielo (Q2), de pasar el agua líquida a 0ºC a agua líquida a 100ºC (Q3), de vaporizar el agua (Q4) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110ºC (Q5): Q1=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(2,05 kJ/kg·K)·10 K = 20,5 kJ Q2=m · LF = 1 kg ·(3,34 ·105 J/kg) = 334 kJ Q3=m· ce·(T– T0) = 1 kg·(4,18 kJ/kg·K)·100 K = 418 kJ Q4=m · LV = 1 kg ·(2,26 ·106 J/kg) = 2260 kJ Q5=m · ce· (T– T0) = 1 kg ·(1,96 kJ/kg·K)·10 K = 19,6 kJ QTOTAL= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 20,5 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJ QTOTAL = 3052,1 kJ Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Que rapidez inicial debe tener una bala de plomo a 25,0 ºC para que el calor desarrollado cuando se detiene sea apenas suficiente para derretirla. Suponga que toda la energía mecánica de la bala se convierte en calor y que no fluye calor de la bala a su entorno. Un rifle ordinario tiene una rapidez de salida mayor que la rapidez del sonido en aire, que es 347 m/s a 25,0 ºC.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion E Ec Q 1 2 mv Q1 Q2 2 Q1 m plomo ce plomo T plomo Q2 m plomo L f plomo 1 2 mv m plomo ce plomo T plomo m plomo L f plomo 2 v 2(ce plomo T plomo L f plomo ) v 357 m / s
Fis JORGE HUAYTA
Equivalencia calor-trabajo. A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teoría del “calórico”).
Joule demostró que el calor es una forma de energía y calculó la equivalencia entre la caloría (unidad de calor) y el joule (unidad de trabajoenergía).
1 J = 0,24 cal;
1 cal = 4,184 J
Fis JORGE HUAYTA
Aparato de Joule para determinar el Equivalente mecanico del calor A medida que las masas descienden, la rueda con paletas agitan el agua, y la energía mecánica es convertida en energía térmica elevando la temperatura del agua. Por cada 4186 J de trabajo realizado, la temperatura de 1 kg de agua se incrementa en un 1ºC. Es decir, 4186J es equivalente a 1 kcal
1 kcal = 4186 J 1 BTU= 0,252 kcal Fis JORGE HUAYTA
El CASO DEL AGUA
Fis JORGE HUAYTA
Porcentaje de biomoleculas de una celula humana
H20 75
Proteínas 15
Azucares 2
Metabolitos intermedios >1.5
Lípidos
3 Fis JORGE HUAYTA
RNA 2 DNA <0.5
Sales 1
AGUA Molécula más abundante en los seres vivos. Lugar de donde se originó la vida. Medio para las reacciones químicas. Sin agua no hay metabolismo. Sin agua no hay reproducción. Sin agua no hay vida.
Fis JORGE HUAYTA
AGUA: PROPIEDADES Térmicas: - Calor específico - Calor latente de vaporización - Punto de ebullición - Punto de congelación Densidad: > a 4oC Tensión superficial: Cohesión: Fis JORGE HUAYTA
Dilatacion termica del agua
Fis JORGE HUAYTA
Dilatacion térmica del agua V(cm3)
En el intervalo de temperaturas de 0 a 4 °C el agua se contrae en lugar de expandirse al aumentar su temperatura.
1,0002
1,0000 4
Fis JORGE HUAYTA
T(°C)
Dilatación anómala del agua
máxima a 4ºC volumen mínimo Fis JORGE HUAYTA
Efecto del calor sobre la temperatura.
Fis JORGE HUAYTA
TRANSFERENCIA DE CALOR
Fis JORGE HUAYTA
Formas de transferencia de calor El calor puede transferirse de un lugar a otro por diferentes metodos Generalmente encontramos en cada situación de transferencia de calor, los procesos de transferencia, estos son:
Conducción Convección Radiación Cambios de estado En agricultura, las heladas como el daño que provocan son esencialmente fenómenos de carácter físicos Fis JORGE HUAYTA
Formas de transferencia de calor.
Fis JORGE HUAYTA
Formas de transferencia de calor. • Conducción: Se da fundamentalmente en sólidos. Al calentar un extremo. Las moléculas adquieren más energía y vibran sin desplazarse, pero comunicando esta energía a las moléculas vecinas. • Convección: Se da fundamentalmente en fluidos (líquidos y gases). Las moléculas calientes adquieren un mayor volumen y por tanto una menor densidad con lo que ascienden dejando hueco que ocupan las moléculas de más arriba. • Radiación: Se produce a través de ondas electromagnéticas que llegan sin necesidad de soporte material. De esta manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol. Fis JORGE HUAYTA
CONDUCCION
Fis JORGE HUAYTA
Conducción Es la transmisión directa de calor de una partícula a otra, por medio de la agitación, provocada por una diferencia de temperatura. Moléculas
Material sólido
Flujo de la energía Fis JORGE HUAYTA
Conducción La energía se transferirá de la zona mas caliente al mas frío, porque las partículas de mayor velocidad colisionan con las mas lentas, de modo que comparten energía cinetica, obteniéndose asi una transferencia neta de energía hacia las mas lentas.
La transferencia de calor entre dos placas paralelas, la tasa de conducción de calor es:
Q kA(Tcaliente T frio) Q t d
Donde: Q: cantidad de Calor t: tiempo d: espesor de la pared
k: constante de conducción del material A: área de la pared (perpendicular al flujo de Q)
Aislante térmico: Material que no permite el paso del calor entre dos sistemas que no están en equilibrio térmico. Conductor térmico: Material que facilita el paso de calor entre dos sistemas térmicos que estan a diferentes temperaturas Fis JORGE HUAYTA
Transmision de calor por conduccion Las ventanas de doble cristal con cámara de aire aíslan bien y evitan las las perdidas de calor, al contrario de o que sucede con las ventanas de un solo cristal ¿Cuál podría ser la explicacion?
Fis JORGE HUAYTA
Algunas Conductividades termicas
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Una barra de acero de 10,0 cm de longitud se suelda a tope con una de cobre de 20,0 cm de longitud. Ambas están perfectamente aisladas por sus costados. Las barras tienen la misma sección transversal cuadrada de 2,0 cm de lado. El extremo libre de la barra de acero se mantiene a 100 ºC en contacto con vapor de agua, y el de la barra de cobre a 0 ºC en contacto con hielo. Calcular la temperatura en la unión de ambas barras y el flujo de calor.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion a) Las corrientes de calor en las dos barras deben de ser iguales
(100 T ) Lacero
(T 0) Lcobre
Q acero k acero A Q cobre kcobre A Reemplazando valores y despejando T:
T = 28,47 ºC b) Determinamos flujo de calor reemplazando en cualquiera de los dos materiales Q = 22,6 W 1cal = 4,184 J
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Un hombre cuya superficie mide 1,8 m2 lleva un abrigo de 0,01 m de grosor, de conductividad térmica de 10-5 kcal/s·m·K. Si la temperatura de la piel es de 34 ºC y el exterior del abrigo se halla a -10ºC. ¿Cuál es la tasa de perdida de calor?
Fis JORGE HUAYTA
Solucion Si la conducción de calor por contacto se da, entonces la tasa de transporte de calor de alta a baja temperatura por conducción, es
Q kA
(Tcaliente T frio ) d
T kA d
Además Tf = 34ºC = 307 ºK y To = -10ºC = 263 ºK Reemplazando valores kcal 5 2 (307 263) K Q 10 1 .8 m smK 0,01 m
Q 0,079 kcal / s 330,22 W 1cal=4,18J
Fis JORGE HUAYTA
CONVECCION
Fis JORGE HUAYTA
Conveccion Transporte de calor en un fluido, debido a los movimientos del fluido mismo Cuando un fluido se calienta, sus partículas se mueven mas rápido, se separan mas unas de otras y el fluido se hace menos denso y sube. Cuando se enfria, se hace mas denso y baja; se crean unas corrientes (verticales), las cuales son denominadas corrientes de convección, Estas corrientes tienden a distribuir el calor por toda la masa del fluido.
En un fluido, la mayor parte del calor es transportado de una parte a otra del cuerpo por el mismo fluido. Se produce también desplazamientos de la masa de liquido o de gas, arrastrada por las corrientes convectivas. Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo de los efectos de las corrientes convectivas en la atmósfera Fis JORGE HUAYTA
Convección Exclusivo y característico de los fluidos.
Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.
Convección natural
Flujo laminar
Flujo turbulento
Convección forzada Fis JORGE HUAYTA
Transferencia de calor por conveccion
Fis JORGE HUAYTA
Conveccion
Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.
Fis JORGE HUAYTA
Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura. Convección forzada: la causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores...) impuesta externamente.
Ley de enfriamiento de Newton Coeficiente de convección
Superficie de intercambio
Q hA(Tsup T fluido ) hA T
Temperatura del fluido libre
Temperatura superficial
T fluido libre Capa límite
T superficial Para un hombre desnudo: h = 7,1 x 10-3 kcal/s.m2K Fis JORGE HUAYTA
T
Ciclos de conveccion
Fis JORGE HUAYTA
Conveccion y acondicionamiento del ambiente Las casas son normalmente calentadas o enfriadas por convección forzada
Fis JORGE HUAYTA
Conveccion y acondicionamiento del ambiente
Fis JORGE HUAYTA
Valores típicos del coeficiente de convección Convección libre en aire Convección libre en agua Convección forzada en aire Convección forzada en agua Agua hirviendo Vapor condensando
Fis JORGE HUAYTA
h (Wm-2K-1) 5-25 500-1000 10-500 100-15000 2500-25000 5000-100000
Ejemplo ¿Qué cantidad de calor perderá por convección una persona desnuda de 1,5 m2 de superficie si esta en contacto con aire a 0 ºC y la piel esta a 30 ºC?. Considere h=1,7x10-3 kcal/(s·m2ºC).
Fis JORGE HUAYTA
Solucion h 1,7 cal /( s m2 oC ) 7,1 J /( s m2 oC )
Q hA(Tsup erficie T fluido )
Q (7,1J / s m 2 oC )(1,5m 2 )(30 0) oC 319,5 W
Fis JORGE HUAYTA
RADIACION
Fis JORGE HUAYTA
Radiación Transmisión del calor entre cuerpos a distinta temperatura como consecuencia de la emisión de radiación electromagnética energía que puede ser transmitida a través de un espacio vacío.
Fis JORGE HUAYTA
Radiación El calor es una forma de radiacion, como la luz, (ondas electromagnéticas) pero principalmente de longitud de onda mas larga, radiación infrarroja. Los cuerpos calientes emiten radiación electromagnética. Los objetos, además de emitir este tipo de radiación, también la absorben
La transferencia de energía por radiación no necesita de medio material, viaja a través del vacio, y es asi, la forma primaria de transferencia de energia del sol a la tierra. Fis JORGE HUAYTA
Radiación termica
Fis JORGE HUAYTA
Radiacion: Ley de Stefan-Boltzman Ley de Steffan-Boltzman La cantidad de calor por unidad de tiempo, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta
Q e A s T 4
donde e: emisividad del cuerpo (entre 0 y 1); A: área del cuerpo emisor s: Constante de Steffan-Boltzman (s = 5,67x10-8 W/m2K4) T: temperatura absoluta En el termograma se detecta las radiaciones mediante un programa establece una relacion entre la temperatura del emisor y la frecuencia de radiacion. Si un cuerpo a temperatura absoluta T esta rodeado por material a temperatura Ts la corriente de calor neta del cuerpo a su entorno es:
Q eAs (T 4 Ts ) 4
Fis JORGE HUAYTA
Ejercicio
Fis JORGE HUAYTA
Transferencia neta de calor por radiacion
Fis JORGE HUAYTA
Ley de Wien Ley De Wien La longitud de onda maxima de la radiación λ emitida por un cuerpo es inversamente proporcional a su T
max
B T
siendo B = 2,898 x10-3 m K
Fis JORGE HUAYTA
Termograma de una casa En la Figura se muestra la foto de una casa y su termograma. Señale cuales son los puntos de perdida de calor y justifique su respuesta.
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Si el área superficial total del cuerpo humano es de 1,2 m2 y la temperatura superficial es de 30 ºC, a) calcular el flujo total de radiación de energía del cuerpo, b) Si el entorno esta a 20 ºC, calcular el flujo neto de perdida de calor del cuerpo por radiación. Considere e = 1.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion a) El cuerpo emite
Q acero esAT 4
Q cobre (5,67 x10 8 )(1,2)(303,15) 4 575 W b) El flujo neto de transferencia de energía es:
Q acero esA(T 4 Ts ) 72 W 4
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo Un termómetro de oído mide la radiación emitida por el timpano. ¿En que porcentaje aumenta el flujo de radiación si la temperatura del timpano aumenta de 37,00 ºC a 37,10 ºC?.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion Relacionado los flujos:
esAT1 T1 4 4 e s AT T 2 2 Q2 Q1
4
4
4
310,25 1,0013 Q 2 310,15 Q1
El aumento porcentual es de 0,13%
Fis JORGE HUAYTA
Ejemplo La piel de una persona tiene una superficie aproximada de 1,7 m2. El área que tiene que ver con la transferencia de calor por radiación y convección es de 1,5m2 (en regiones entre los brazos y el cuerpo, no hay transferencia de calor). La emisividad de todos los pigmentos de la piel es aproximado 1,0. a) Exprese la constante de Stefan-Boltzman en kcal/m2·h·K4. b) Determinar la energía que pierde por radiación del cuerpo desnudo que tiene una temperatura en piel de 32 ºC, cuando la temperatura del aire es de 22 ºC. Comparar su respuesta con la producción mínima de calor (resultado del metabolismo) para una persona en reposo, que es de 76 kcal/h.
Fis JORGE HUAYTA
Solucion a)
W m2k 4
como s 5,7x10 -8 s 5,7 x10 8
J 1kcal 3600 s kcal 8 x x 4 , 9 x 10 1h s m 2 k 4 4,185 J h m2k 4
b) La energía perdida por el cuerpo por radiación es
Q eAs (T p To )
4
Q 1(1,5m 2 )( 4,9 x10 8
4
kcal 4 4 ) ( 305 K ) ( 295 º K ) 79,38kcal 2 4 hm K Fis JORGE HUAYTA
Transferencia de calor por radiacion
Fis JORGE HUAYTA
Cambios de estado
Fis JORGE HUAYTA
Cambios de estado
Fis JORGE HUAYTA
Aislantes termicos
Fis JORGE HUAYTA
¿Preguntas? …
Fis JORGE HUAYTA
GRACIAS …
Fis JORGE HUAYTA
Practica: Temperatura, Calor, Flujo de calor 1. Un termómetro con escala arbitraria tiene como punto de fusion del hielo -20 o y como punto de ebullición del agua 180 o. Cuando en este termómetro se lee 5, cuanto se debe leer en un termómetro con escala Celsius?. 2.Un dia de verano la temperatura alcanza 27 oC ; se llena un tanque de acero a 16 oC con gasolina extraida de un almacen subterraneo en la cual la temperatura es tambien 16 oC. Hallar la fraccion de volumen de gasolina que se desborda cuando el tanque y el liquido han alcanzado la temperatura de 27 oC (coeficiente de dilatación lineal del acero 12x10-6 oC-1, coeficiente de dilatación volumetrica de la gasolina 95x10-5 oC-1). 3. En una heladera se colocan 100 g de agua a 20 oC y se obtienen cubitos de hielo a -5 oC. Hallar la cantidad de calor que se extrajo del agua (L (del agua) = 80 cal/g, y c (del hielo) = f e o 0,5 cal/g C). 4. Cuantos kilogramos de hielo a 0 oC, fundira 1 kg de vapor a 100 oC, si el agua resultante se encuentra a una temperatura de 0 oC?. 5- Dos objetos iguales de 3 kg colisionan frontalmente con velocidades de 50 m/s y permanecen en reposo tras el choque. Su energía cinética final se transforma totalmente en calor y supone una elevación de sus temperaturas de 1oC. ¿Cuál es su calor específico?. Fis JORGE HUAYTA
6. Una persona de 70 kg evapora un litro de agua. ¿Cuántos joules pierde? ¿En cuántos grados centígrados disminuye su temperatura? Suponer que la energía perdida se debe únicamente al calor latente.(calor especifico del cuerpo humano 3300 J/kgoC) 7. Una persona que camina con velocidad normal produce calor a un ritmo de 280 W. Si el area de la superficie del cuerpo es 1,5 m2 y si se supone que el calor se genera a 3 cm por debajo de la piel, Que diferencia de temperaturas entre la piel y el interior del cuerpo existira si el calor se condujera a la superficie?. Supongase que la conductividad termica es la misma que para los musculos animales 0,2 W/m K. 8- En una habitación caliente, una persona desnuda en reposo tiene la piel a una temperatura de 33 oC. Si la temperatura de la habitación es de 29 oC y si el area de la superficie del cuerpo es 1,5 m2, cual es la velocidad de perdida de calor por conveccion? 9. Hallar la potencia perdida por radiación por una persona de 1.7 m2 de superficie corporal y 37 oC de temperatura en un lugar a 20 oC. Suponer un coeficiente de emisividad de 0,3. 10. Cual es la longitud de onda de maxima intensidad de radiacion para una superficie a 37 oC?.
Fis JORGE HUAYTA
