TEMPERATURA Y CALOR 1. DEFINICIONES: TEMPERATURA: Es aquella propiedad física o magnitud que refleja la cantidad de calor o frío sobre un cuerpo, un objeto o el ambiente. El aparato que mide la temperatura es el termómetro. CALOR: Energía que se manifiesta por un aumento de temperatura.
DIFERENCIAS ENTRE LA TEMPERATURA Y EL CALOR: El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes. -El calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, la temperatura es la medida de dicha energía. -El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no.
2. ESCALAS DE TEMPERATURA: Existen distintas escalas para medir la temperatura. Las más usadas tanto en la vida común como en las ciencias. Escala Centígrada (°C): También llamada Escala Celsius. Es muy usada en países de habla hispana. El punto de congelación del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. Escala Fahrenheit (°F): Es más común en países de procedencia y habla inglesa. El punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. Escala Kelvin (K): Esta es la más usada en el ámbito científico. El punto de congelación del agua se produce en 273 K y su punto de ebullición a 373 K. En esta escala el 0 corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible, llamada cero absoluto. La temperatura se mide en Kelvin (K) no en “grados Kelvin” (°K) Escala Rankine (R): Se utiliza principalmente en la ingeniería. La escala tiene un punto de congelación del agua de 491,67 R y un punto de ebullición de 671,67 R. (Es semejante a la escala Kelvin. Al igual que esta, presenta un cero en el cero absoluto, por lo que también es una “escala absoluta”.)
3. FORMULAS:
4. MEDIDAS DE CALOR: El joule (J): Es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.). Caloría (cal): Unidad ampliamente utilizada para la cantidad de energía térmica intercambiada. También es conocida como caloría pequeña. Kilocaloría (kcal): Es utilizada en nutrición, también se le conoce como caloría grande. El BTU (o unidad térmica británica): Es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. -
1 kcal = 1.000 cal 1 cal = 4,184 J 1 J = 0,24 cal
5. CALOR ESPECÍFICO: Es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. El calor específico de un determinado cuerpo se denomina con la letra "c" (minúscula). En general, el calor específico de un material depende de su temperatura inicial. Ejemplo: Comúnmente la madera requiere mucho más calor para aumentar su temperatura que el metal, así que el calor específico de la madera es mucho más alto que el calor específico del metal, porque el metal retiene más el calor que la madera por eso tiene menor calor específico, pues es más fácil subir su temperatura. El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura: Ecuaciones básicas: La capacidad calorífica específica media ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas define en la forma:
se
La capacidad calorífica específica ( )
Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor específico del sistema. T es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
Las unidades más habituales de calor específico son: 6. EJERCICIOS Y PROBLEMAS: 1: Convertir 100°F a grados centígrados: °C= 5/9 (°F-32) = 5/9 (100-32) = 5/9 (68) = 5 x 68 / 9 = 37.77°C °C= 0.55 °F – 17.77 = 0.55 x 100 – 17.77 = 55 – 17.77 = 37.23°C
2: Convertir 100°C a grados Fahrenheit °F = 9/5 °C + 32 = 9/5 (100) + 32 = 9 x 100 / 5 + 32 = 180 + 32 = 212°F °F = 1.8 °C + 32 = 1.8 (100) + 32 = 180 + 32 = 212°F
3: Convertir 200 grados Kelvin a grados Fahrenheit °F = 9/5 K - 459.67 = 9/5 (200) - 459.67 = 360 – 459.67 = -99.67°F °F = 1.8°K – 459.67 = 1.8 (200) – 459.67 = 360 – 459.67 = -99.67°F
4: Convertir 50 grados Kelvin a grados Centígrados °C= °K - 273.15 = 50 - 273.15 = -223°C
Calcular la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura a 10 Kg. De cobre de 25 ºC a 125 ºC m = 10 Kg. = 10000 gr. T1 = 25 ºC T2 = 125 ºC Ce = 0.09 Cal/gr.ºC Q = m * Ce * (T2 – T1)
Q = 10000 gr. * 0.09 Cal/gr.ºC * (125 ºC - 25 ºC) Q = 900 * 100 = 90000 calorías Q = 90.000 calorías
PRESIÓN La presión se define como fuerza por unidad de área. Usualmente es más conveniente usar la presión que la fuerza. La unidad estándar de presión es el Pascal, el cual es un Newton por metro cuadrado. 1. UNIDADES: La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como:
En el sistema internacional (SI) Pascal (P) Sistema cegesimal Baria Otros sistemas de unidades distintas Atmósfera (atm) = 101325 Pa = 1013,25 mb = 760 mmHg Milímetro de mercurio (mmHg) = Torricelli (Torr) Pulgadas de mercurio (pulgadas Hg) 2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA: Es el peso del aire que se encuentra sobre la superficie terrestre, normalmente se mide por medio del barómetro. El valor de la presión atmosférica varía en cada lugar del planeta en función de su altitud; mientras la elevación se incrementa, la presión atmosférica va disminuyendo ya que la columna de aire que soporta es menor. La presión atmosférica al nivel del mar es de 1 atmósfera de presión, que equivale a 101.325 kPa. FACTORES DE VARIACIÓN: ALTURA: A mayor altura la presión disminuye y a menor altura, aumenta. Al ascender el aire soporta menor peso, el aire se expande y ejerce menor presión. TEMPERATURA: El aire caliente asciende y origina baja presión, el aire frio desciende y origina alta presión. El aire caliente pesa menos que el aire frío. HUMEDAD: A mayor humedad menos presión y menor humedad, mayor presión; esta situación está estrechamente relacionada con la altura. 3. PRESIÓN MANOMÉTRICA: Es diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presión de vacío. Un ejemplo de presión manométrica es la
fuerza ejercida por las moléculas de gas de un refresco sobre las superficies del envase. 4. PRESIÓN ABSOLUTA: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero. Se conoce como presión absoluta a la presión real que se ejerce sobre un punto dado, se calcula en una determinada superficie a partir de la sumatoria de la presión atmosférica y la presión manométrica. Si nos referimos a una botella de Coca Cola, la presión absoluta a la que está sometida su botella es la igual a la suma de la presión atmosférica (externa al envase) y la presión manométrica (interna, por la acción de las moléculas del gas de la bebida). 5. PRESIÓN DEBIDO A UNA COLUMNA DE FLUIDO: La presión de un fluido, no es la misma que la que se ejerce sobre un sólido. El fluido, dependiendo de donde se encuentre, puede o no cambiar su forma, esta característica es propia de los fluidos. Para poder obtener la presión de un fluido es necesario que éste se encuentre en un recipiente, ya que, la presión ejercida en el fluido afectara a todo el contenido y no a una parte de él. A cualquier profundidad en un fluido la presión es la misma en todas las direcciones. La presión del fluido es directamente proporcional a su profundidad y densidad. La presión en el fondo de un recipiente solo es en función de la profundidad del líquido y es la misma en todas las direcciones. Puesto que el área en el fondo es la misma en ambos recipientes, la fuerza total ejercida sobre el fondo de cada uno de ellos también es igual. La fuerza total ejercida en el fondo es como una columna de agua que pesa y por lo tanto ejerce presión. 6. EJERCICIOS Y PROBLEMAS: 1. ¿Cuál es la presión ejercida por una fuerza de 120 N que actúa sobre una superficie de 0.040 metros cuadrados?
?
2.- Una persona de 84 kg se para sobre la losa de una casa que tiene por superficie 225 metros cuadrados. ¿Cuál será la presión que esta persona ejerce sobre la losa?
