SEMANA 6 5 al 9 de octubre <ul><li>Temperatura </li></ul><ul><ul><li>Escalas termométricas </li></ul></ul><ul><ul><li>Dila...
OBJETIVOS <ul><li>Conocer las diferentes escalas de temperatura y saber utilizar y convertir las escalas Celsius y Kelvin ...
TEMPERATURA <ul><li>La temperatura de un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté “más ...
Equilibrio térmico <ul><li>Dos o más cuerpos, en contacto y aislados de influencias externas, tienden a un estado final, d...
Termómetros <ul><li>Para que la temperatura pueda considerarse una  cantidad física  es necesario que podamos  medirla , a...
Tipos de termómetros
Termómetro por dilatación o “termómetro de columna” <ul><li>En este termómetro las variaciones de temperatura producen dil...
Escala termométrica <ul><li>Para poder medir temperaturas es necesario graduar el termómetro, es decir señalar en él divis...
Escala Celsius <ul><li>El cero grados Celsius ( ° C) </li></ul><ul><ul><li>Se introduce el termómetro en una mezcla de hie...
Escala Kelvin <ul><li>La escala Kelvin se utiliza sobre todo en medios científicos y fue propuesta por Lord Kelvin (1824-1...
Escala Kelvin <ul><li>Kelvin propuso como origen de su escala (representado por 0  °K) la  temperatura del cero absoluto y...
Ejemplo de conversión entre  ° C y K  <ul><li>En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica d...
Escala Fahrenheit <ul><li>Utilizada principalmente en los países de habla inglesa </li></ul><ul><li>El punto de fusión del...
Ejemplo de conversión entre  ° C y  °  F <ul><li>El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una ...
DILATACIÓN <ul><li>Un hecho muy conocido es que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura </l...
Dilatación <ul><li>Cuando un cuerpo sólido se dilata, su volumen aumenta, pero su masa se mantiene constante </li></ul><ul...
Dilatación de los sólidos <ul><li>Los átomos que constituyen la sustancia sólida se encuentran distribuidos ordenadamente,...
Dilatación lineal <ul><li>La dilatación lineal de un sólido es proporcional a la temperatura y longitud inicial </li></ul>...
Coeficientes de dilatación lineal en sólidos <ul><li>Ejemplo: </li></ul><ul><ul><li>Si se incrementa la temperatura de una...
Coeficiente de dilatación superficial y volumétrica <ul><li>Se puede demostrar que </li></ul><ul><ul><li>El coeficiente de...
Ejemplos <ul><li>Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20...
Dilatación de los líquidos <ul><li>Los líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos </li></ul><ul><...
Ejemplo <ul><li>Un frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm 3  a 0  °C, está completamente lleno de mercur...
Dilatación irregular del agua <ul><li>Como se ha visto, al incrementar la temperatura de un cuerpo su volumen aumenta </li...
Dilatación irregular del agua   fundamental para la vida <ul><li>Cuando la temperatura del agua aumenta entre 0 °C y 4 °C,...
C A L O R
DEFINICIÓN <ul><li>El calor es energía </li></ul><ul><li>El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en v...
Unidades del calor <ul><li>Como el calor es una forma de energía, entonces debe medirse en unidades energéticas </li></ul>...
Transmisión del calor <ul><li>Existen varias formas de transmitir el calor de un cuerpo a otro </li></ul><ul><li>Se distin...
CONDUCCIÓN <ul><li>La conducción térmica sucede cuando un objeto entra en contacto otro cuerpo: </li></ul><ul><ul><li>Se d...
CONVECCIÓN <ul><li>Se produce por intermedio de un  fluido  (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferente...
Ejemplo de Convección <ul><li>En los refrigeradores: </li></ul><ul><ul><li>En la parte superior, las capas de aire que se ...
RADIACIÓN TÉRMICA <ul><li>Se denomina  radiación térmica  o  radiación calorífica  a la emitida por un  cuerpo  debido a s...
Radiación térmica <ul><li>Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella se absorbe y parte se refleja </li></ul><...
 
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Semana 6 TEMPERATURA Y CALOR

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Corresponde a la 6a semana de clase de la materia de Física(Teórica) de las carreras de T.O. y T.F. en la UABJO

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Semana 6 TEMPERATURA Y CALOR

  1. 1. SEMANA 6 5 al 9 de octubre <ul><li>Temperatura </li></ul><ul><ul><li>Escalas termométricas </li></ul></ul><ul><ul><li>Dilatación en sólidos y líquidos </li></ul></ul><ul><li>Calor </li></ul><ul><ul><li>Definición </li></ul></ul><ul><ul><li>Métodos de Transmisión del calor </li></ul></ul>
  2. 2. OBJETIVOS <ul><li>Conocer las diferentes escalas de temperatura y saber utilizar y convertir las escalas Celsius y Kelvin </li></ul><ul><li>Determinar la dilatación en sólidos y líquidos cuando existe una diferencia de temperatura </li></ul><ul><li>Entender la diferencia entre calor y temperatura </li></ul><ul><li>Comprender los métodos de transmisión del calor </li></ul>
  3. 3. TEMPERATURA <ul><li>La temperatura de un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté “más caliente” o “más frío” </li></ul><ul><li>Medir la temperatura ha sido una antigua preocupación de los científicos </li></ul>
  4. 4. Equilibrio térmico <ul><li>Dos o más cuerpos, en contacto y aislados de influencias externas, tienden a un estado final, denominado Estado de equilibrio térmico </li></ul><ul><ul><li>Se caracteriza por la uniformidad en la temperatura de los cuerpos </li></ul></ul>Cuando se abra la válvula que separa las dos partes A y B, empezará un proceso de intercambio hasta que la temperatura del sistema completo A+B sea la misma en todos los compartimentos
  5. 5. Termómetros <ul><li>Para que la temperatura pueda considerarse una cantidad física es necesario que podamos medirla , a fin que se tenga un concepto cuantitativo de la misma </li></ul><ul><li>Esta medición de la temperatura se hace con los termómetros </li></ul><ul><li>Existen varias clases de termómetros </li></ul>
  6. 6. Tipos de termómetros
  7. 7. Termómetro por dilatación o “termómetro de columna” <ul><li>En este termómetro las variaciones de temperatura producen dilataciones o contracciones del líquido, haciendo subir o bajar la columna </li></ul><ul><li>A cada altura de la columna podemos asignarle un número, el cual corresponde a la temperatura que determinó dicha altura </li></ul><ul><li>El líquido que más se emplea en este tipo de termómetros es el mercurio </li></ul><ul><ul><li>Algunos termómetros más baratos utilizan un alcohol coloreado, generalmente rojo </li></ul></ul>
  8. 8. Escala termométrica <ul><li>Para poder medir temperaturas es necesario graduar el termómetro, es decir señalar en él divisiones y asignarles números </li></ul><ul><li>De esta forma se construye una escala termométrica </li></ul><ul><li>En la historia se han utilizado diferentes escalas termométricas basadas en diferentes fenómenos </li></ul><ul><li>Para acabar con estas dificultades, los científicos sugirieron la adopción de una escala única, basada en convenciones internacionales: </li></ul><ul><ul><li>La escala Celsius (anteriormente llamada centígrada ) </li></ul></ul><ul><ul><li>Anders Celsius(1701-1744) </li></ul></ul>
  9. 9. Escala Celsius <ul><li>El cero grados Celsius ( ° C) </li></ul><ul><ul><li>Se introduce el termómetro en una mezcla de hielo y agua fría en equilibrio térmico (hielo fundamentalmente) a la presión de 1 atm </li></ul></ul><ul><li>100 ° C </li></ul><ul><ul><li>Se introduce el termómetro en agua hirviente, o en ebullición, a la presión de 1atm </li></ul></ul><ul><li>Divisiones </li></ul><ul><ul><li>Se divide el intervalo entre 0 ° C y 100 ° C en 100 partes iguales </li></ul></ul><ul><ul><li>Se extiende la graduación tanto hacia arriba de 100 ° C, como hacia abajo de 0 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li>Cada intervalo entre dos divisiones sucesivas (del “tamaño” de 1 ° C) corresponde a una variación de temperatura que se representa por  (1 ° C) </li></ul></ul>
  10. 10. Escala Kelvin <ul><li>La escala Kelvin se utiliza sobre todo en medios científicos y fue propuesta por Lord Kelvin (1824-1907) </li></ul><ul><li>Esta escala surge de las discusiones relacionadas con las temperaturas máximas y mínimas que puede alcanzar un cuerpo </li></ul><ul><ul><li>No hay un límite teórico máximo que puede alcanzar un objeto </li></ul></ul><ul><ul><li>Pero se observa un límite natural cuando se intenta bajar la temperatura </li></ul></ul><ul><li>El cero absoluto se denomina a la temperatura de -273 °C </li></ul>
  11. 11. Escala Kelvin <ul><li>Kelvin propuso como origen de su escala (representado por 0 °K) la temperatura del cero absoluto y un intervalo unitario igual al intervalo de 1 ° C, i.e.,  (1 ° C) =  (1 K ) </li></ul><ul><ul><li>0 K = -273 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li>1 K = -272 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li>273 K = 0 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li>373 K = 100 ° C </li></ul></ul><ul><li>Relación entre escala Celsius (t c ) y Kelvin(T): </li></ul><ul><ul><li>T = t c +273 </li></ul></ul>
  12. 12. Ejemplo de conversión entre ° C y K <ul><li>En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a 4K (Fenómeno conocido como superconductividad). ¿Cuál es esta temperatura en ° C? </li></ul><ul><ul><li>Como T = t c +273 </li></ul></ul><ul><ul><li>Sustituyendo valores: </li></ul></ul><ul><ul><li>4 = t c + 273. Entonces </li></ul></ul><ul><ul><li>T c =4-273. Por lo tanto </li></ul></ul><ul><ul><li>T c = -269 ° C </li></ul></ul>
  13. 13. Escala Fahrenheit <ul><li>Utilizada principalmente en los países de habla inglesa </li></ul><ul><li>El punto de fusión del hielo se señala por 32 ° F y el de ebullición por 212 ° F </li></ul><ul><ul><li>32 ° F = 0 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li>212 °F = 100 ° C </li></ul></ul><ul><ul><li> (1 °F ) = (5/9)  (1 ° C) </li></ul></ul><ul><li>Relación entre escala Celsius (t c ) y escala Fahrenheit (t F ) </li></ul>
  14. 14. Ejemplo de conversión entre ° C y ° F <ul><li>El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una temperatura de 104 °F. Indique a cuantos °C equivale esta temperatura. </li></ul><ul><ul><li>Como t c =(5/9)(t F -32) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sustituyendo valores encontramos: </li></ul></ul><ul><ul><li>t c =(5/9)(104-32) = (5/9)(72) = 40 </li></ul></ul><ul><ul><li>Por lo tanto: </li></ul></ul><ul><ul><li>t c = 40 °C </li></ul></ul>
  15. 15. DILATACIÓN <ul><li>Un hecho muy conocido es que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura </li></ul><ul><li>De esta forma, salvo algunas excepciones, todos los cuerpos, independientemente de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, se dilatan cuando aumenta su temperatura </li></ul>
  16. 16. Dilatación <ul><li>Cuando un cuerpo sólido se dilata, su volumen aumenta, pero su masa se mantiene constante </li></ul><ul><ul><li>Por lo tanto la densidad del sólido disminuye </li></ul></ul>Densidad másica mayor Mayor temperatura Densidad másica menor
  17. 17. Dilatación de los sólidos <ul><li>Los átomos que constituyen la sustancia sólida se encuentran distribuidos ordenadamente, lo cual origina una estructura denominada red cristalina del sólido </li></ul><ul><li>La unión de tales átomos se logra por medio de fuerzas eléctricas que unen un átomo con otro </li></ul><ul><li>Esos átomos están en constante vibración respecto de una posición media de equilibrio </li></ul>
  18. 18. Dilatación lineal <ul><li>La dilatación lineal de un sólido es proporcional a la temperatura y longitud inicial </li></ul><ul><ul><li> L es la dilatación lineal del sólido </li></ul></ul><ul><ul><li> t es el aumento de temperatura </li></ul></ul><ul><ul><li> es el coeficiente de dilatación lineal </li></ul></ul>
  19. 19. Coeficientes de dilatación lineal en sólidos <ul><li>Ejemplo: </li></ul><ul><ul><li>Si se incrementa la temperatura de una barra de acero de 5m en 50 °C, ¿Cuál será su dilatación? </li></ul></ul><ul><ul><li>Como  L=  L 0  t, entonces al sustituir valores tenemos: </li></ul></ul><ul><ul><li> L=(1.2x10 -5 °C -1 )(5m)(50 °C) </li></ul></ul><ul><ul><li> L = 0.003m = 3mm </li></ul></ul>Para el vidrio Pyrex:  = 3.3x10 -6 ºC -1 entre 20 y 400 ºC.
  20. 20. Coeficiente de dilatación superficial y volumétrica <ul><li>Se puede demostrar que </li></ul><ul><ul><li>El coeficiente de dilatación superficial  = 2  </li></ul></ul><ul><ul><li>El coeficiente de dilatación volumétrica  = 3  </li></ul></ul><ul><li>Las ecuaciones respectivas de dilatación superficial y volumétrica son: </li></ul><ul><ul><li> A =  A 0  t con A 0 superficie original </li></ul></ul><ul><ul><li> V =  V 0  t con V 0 volumen original </li></ul></ul>
  21. 21. Ejemplos <ul><li>Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20 °C. Suponiendo que la placa fuese calentada hasta 120 °C y  zinc =2.6x10 -5 °C -1 , calcule: </li></ul><ul><ul><li>El aumento en longitud de la placa. </li></ul></ul><ul><ul><ul><li> L=  L 0  t, entonces  L= (2.6x10 -5 °C -1 )(0.6m)(120-20°C)=(1.56x10 -5 )(100) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> L= 1.56x10 -3 m= 1.56mm </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>El aumento en la anchura de la placa </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>De igual forma  L= (2.6x10 -5 °C -1 )(0.4m)(120-20°C)=(1.04x10 -5 )(100) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> L= 1.04x10 -3 m= 1.04mm </li></ul></ul></ul>
  22. 22. Dilatación de los líquidos <ul><li>Los líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos </li></ul><ul><li>Lo que interesa en los líquidos es su dilatación volumétrica  ( °C -1 ) </li></ul>
  23. 23. Ejemplo <ul><li>Un frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm 3 a 0 °C, está completamente lleno de mercurio a tal temperatura. Cuando el conjunto se calienta hasta 100 °C, se derraman 15.0cm 3 de mercurio. </li></ul><ul><ul><li>¿Cuál fue la dilatación real del mercurio? </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Como  V =  V 0  t y  Hg = 1.82x10 -4 ° C -1 , entonces: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> V Hg = (1.82x10 -4 ° C -1 )(1000cm 3 )(100 °C) = (1.82x10 -4 )(1x10 5 )= 1.82x10 </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> V Hg = 18.2 cm 3 </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>¿Cuál fue la dilatación real del frasco? </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>La dilatación aparente del mercurio está dada por la cantidad que se derramó, i.e., 15cm 3 . Como la dilatación real fue de 18.2cm 3 , es obvio que la dilatación del frasco fue </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> V frasco = 18.2-15.0 , por lo tanto:  V frasco = 3.2 cm 3 </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación lineal del vidrio del cual está hecho el frasco? </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Como  V =  V 0  t, si despejamos  , entonces obtenemos: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Y sustituyendo valores tenemos:  frasco = (3.2cm 3 )/(1000cm 3 )(100 ° C) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> frasco = (3.2cm 3 )/(1x10 5 °C.cm 3 ), por lo tanto </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li> frasco = 3.2x10 -5 °C -1 </li></ul></ul></ul>
  24. 24. Dilatación irregular del agua <ul><li>Como se ha visto, al incrementar la temperatura de un cuerpo su volumen aumenta </li></ul><ul><li>En algunos sustancias se presenta un comportamiento inverso, i.e., disminuyen de volumen cuando su temperatura se eleva </li></ul><ul><li>Cuando esto sucede en ciertos intervalos de temperatura, se define un coeficiente de dilatación negativo </li></ul><ul><li>El agua es una de las sustancias que presentan esta irregularidad en su dilatación </li></ul>
  25. 25. Dilatación irregular del agua fundamental para la vida <ul><li>Cuando la temperatura del agua aumenta entre 0 °C y 4 °C, su volumen disminuye </li></ul><ul><li>Cuando se hace elevar su temperatura a más de 4 °C, el agua se dilata normalmente </li></ul><ul><li>Así, una cierta masa de agua tendrá un volumen mínimo a 4 °C, i.e., que a esta temperatura la densidad del agua es máxima </li></ul><ul><li>Por este motivo, en los inviernos rigurosos los lagos y los ríos se congelan únicamente en la superficie, mientras que en el fondo queda agua con máxima densidad, es decir, agua a 4 °C </li></ul>
  26. 26. C A L O R
  27. 27. DEFINICIÓN <ul><li>El calor es energía </li></ul><ul><li>El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos </li></ul><ul><li>El término calor sólo debe emplearse para designar la energía en transición , i.e., la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura </li></ul>
  28. 28. Unidades del calor <ul><li>Como el calor es una forma de energía, entonces debe medirse en unidades energéticas </li></ul><ul><li>Por lo tanto el calor, en el S.I., se mide en Joules (J) </li></ul><ul><li>Pero en la práctica se usa otra unidad de calor: </li></ul><ul><ul><li>La caloría (cal): es igual a la cantidad de calor que debe transmitirse a 1g de agua para que si temperatura se eleve en 1 °C </li></ul></ul><ul><ul><li>1 cal = 4.1868 J ó bien 1kcal = 4186J </li></ul></ul>Consulte el siguiente link: http://www.cenam.mx/CNM-MMM-PT-003.asp#Tabla_13h._Calor,_energ%C3%ADa_disponible
  29. 29. Transmisión del calor <ul><li>Existen varias formas de transmitir el calor de un cuerpo a otro </li></ul><ul><li>Se distinguen las siguientes maneras de transmisión: </li></ul><ul><ul><li>Conducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Convección </li></ul></ul><ul><ul><li>Radiación </li></ul></ul>
  30. 30. CONDUCCIÓN <ul><li>La conducción térmica sucede cuando un objeto entra en contacto otro cuerpo: </li></ul><ul><ul><li>Se debe a la agitación de los átomos de un cuerpo, transferida sucesivamente de uno a otro átomo, sin que estas partículas sufran ninguna translación en el interior del cuerpo </li></ul></ul><ul><ul><li>La temperatura del cuerpo humano es 36 °C, mientras que la del ambiente, es en general, menor que este valor </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Por este motivo, hay una continua transmisión de calor de nuestro cuerpo hacia el medio circundante </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Si la temperatura del ambiente se mantiene baja, la transmisión se efectúa con mayor rapidez, y esto nos provoca la sensación de frío </li></ul></ul></ul>
  31. 31. CONVECCIÓN <ul><li>Se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas </li></ul><ul><li>La formación de los vientos se debe a variaciones en la densidad del aire. </li></ul><ul><ul><li>No es más que el resultado de las corrientes de convección que s eproducen en la atmósfera </li></ul></ul>
  32. 32. Ejemplo de Convección <ul><li>En los refrigeradores: </li></ul><ul><ul><li>En la parte superior, las capas de aire que se encuentran en contacto con el congelador, le ceden calor por conducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Debido a esto, el aire de esta región se vuelve más denso y se dirige hacia la parte inferior del refrigerador, mientras las capas de aire que ahí se encuentran se desplazan hacia arriba </li></ul></ul><ul><ul><li>Esta circulación de aire causada por la convección, hace que la temperatura se aproximadamente igual en todos los puntos del refrigerador </li></ul></ul>
  33. 33. RADIACIÓN TÉRMICA <ul><li>Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura </li></ul><ul><li>Este proceso se produce aún cuando no hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor </li></ul><ul><li>El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo proceso, ya que entre el sol y la tierra existe un vacío </li></ul>
  34. 34. Radiación térmica <ul><li>Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella se absorbe y parte se refleja </li></ul><ul><li>Los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de la radiación que incide en ellos </li></ul><ul><ul><li>Los objetos de color negro puestos al Sol, su temperatura es considerablemente más elevada </li></ul></ul><ul><li>Los cuerpos claros reflejan casi en su totalidad la radiación térmica incidente </li></ul><ul><ul><li>Por eso en los climas calurosos las personas suelen usar ropa blanca </li></ul></ul>
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