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Semana 6 TEMPERATURA Y CALOR
 

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 Semana 6 TEMPERATURA Y CALOR Presentation Transcript

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