Energía termal

La energía termal Sra. Elba M. Sepúlveda CROEM

Teoría Cinética
Teoría cinética= establece que toda la materia se compone por partículas pequeñas, diminutas (moléculas) que siempre están en movimiento

Tipos de energía:
Energía mecánica
Energía química
Energía eléctrica
Energía solar
Energía nuclear o atómica
Energía aeólica

Energía térmica
Energía almacenada en la materia provocada por una diferencia en temperatura.
Energía termal
A través del calor del fuego
Aumento en temperatura
Suma de la energía potencial y cinética de las partículas que componen un objeto.

Energía interna
suma de las energías cinética y potencial de las partículas
También se conoce como energía termal
Hay 3 formas de transferir la energía termal:
Conducción
Convección
radiación

Mecanismos de Transferencia de Calor
Hay 3 mecanismos de transferir la energía:
Conducción
Convección
Radiación

Ejemplos de mecanismos de transferencia de calor
Convección

Energía externa
Surge como el resultado de la posición y movimiento de la partícula.

Termodinámica
Rama de la ciencia física que intennta convertir el calor en fuerza motriz y la fuerza motriz en calor.
Las bases de la termodinámica están sentadas en los procesos en los que hay calor envuelto
Sus leyes se relacionan a cantidades macroscópicas.

Sistema
La porción de materia que separamos en nuestra mente del ambiente externo que lo circunda.
Ambiente
Todo lo que se encuentra fuera del sistema y que tienen contacto directo con el comportamiento de este

B.T.U.
British Termal Unit
Cantidad de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit (64°F a 65°F) a una libra de agua.
Un BTU equivale a 252 calorías
1.0 kcal= 1000cal = 3.968 btu

Temperatura
Medida de la energía cinética promedio de un cuerpo
Instrumento:
Termómetro
Escalas
Farenheit
Anders Celsius
Kelvin

Gabriel Farenheit
Inventó su escala en el 1712
Basada en la temperatura de congelación y ebullición del agua
Congelación = 32ºF
Ebullición = 212ºF
Cuerpo humano = 98.6 ºF

Anders Celsius
Inventó su escala en el 1742
Hoy se conoce como grados centígrado
Basada también en la congelación y ebullición del agua
Congelación = 0 ºC
Ebullición = 100 ºC
Cuerpo = 37 ºC

William Thomson (Lord Kelvin)
Su escala de temperatura está basada en la energía cinética de las moléculas.
Cero absoluto
No puede haber una temperatura menor que -273 ºC

Temperatura
Medida de la energía cinética promedio de un cuerpo
Termómetro = dispositivo calibrado que se pone en contacto con el objeto hasta que alcance su equilibrio termal para medir la energía cinética de las partículas
Termoscopio = termómetro sin calibrar
Recurso del internet: Equilibrio térmico
http://jersey.uoregon.edu/vlab/Thermodynamics/therm1a.html

Ecuación de conversión
De Farenheit a Celsius
De Centígrado a Fahrenheit
De Kelvin a Centígrado
Recurso Internet:Convertidor de temperatura
http://www.wbuf.noaa.gov/tempfc.htm

Gráfica de Ferenheit vs Celsius

Conversión de Farenheit a Celsius
m=  y/  x = (y 2 -y 1 )/(x 2 -x 1 )
= (212-32)/(100-0) = 180/100 = (9/5)
9/5 = (y –32)/(x-0) =
y= (9/5) x +32
°F = (9/5) °C +32

Ecuación de conversión
De Farenheit a Celsius
De Centígrados a Farenheit
De Kelvin a Centígrado

Ecuaciones de conversión
°F = (9/5) °C +32
°C = (5/9) (°F –32)
K = °C + 273.15

Ejemplos de Conversiones
25°C = ____ °F 68 °F = ____ °C
-40 °C = ____ °F 190°F = ____ °C
30K = _____ °C
175K = _____ °F

Soluciones
25°C = 77 °F 68 °F = 20 °C
-40 °C = 40 °F 190°F = 87.8 °C
30K = 303 °C
175K = -144.67 °F

Ejemplo:
Escribe la ecuación de conversión de escala de temperatura de Sepúlveda a Centígrado.
Congelación = 25 ºC
Ebullición = 50 ºC
Cuerpo = ??? ºC

Contestación:
Ecuación:
m=  y/  x = (50-25)/(100-0)=25/100
m= ¼ ¼=(y-25)/(x-0)
¼ x = y – 25 y=1/4x+25
°S = 1/4 °C +25
Conversión: 37 °C=____ °S
37 °C= 34.25 °S

Primera Ley de Termodinámica
Calor
Energía que fluye debido a una diferendia en temperatura
El aumento total de la energía termal de un sistema es la suma del trabajo realizado sobre el sistema y el calor añadido
Todas las formas de energía se miden Julios

12:6 La Primera Ley de Termodinámica cont . . .
El científico James Joule realizó un experimento para determinar el trabajo necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua a 1 o C. La máquina que utilizó convierte energía potencial de las pesas que caen en trabajo realizado sobre el agua.

Joule demostró que cuando las masas caían con un peso de 772 lbs. desde una altura de 1 pie, se realizaba 4,184J de trabajo para elevar la temp. de 1g de agua a 1 o C.
4,184 J = 1 cal de energía térmica = equivalente mecánico del calor.
Demostración . . .

Formas de aumentar la energía termal:
añadiendo calor realizando trabajo

Termodinámica
Estudio de las propiedades termales de la materia
Q= calor
1 caloría = 4.18 J

Segunda Ley de termodinámica
Entropía = medida del desorden de un sistema. Medida de la falta de disponibilidad de la energía
Establece: Los procesos naturales ocurren en una dirección tal que la entropía total del Universo aumenta.

Segunda Ley de termodinámica
Trata sobre la probabilidad de que ocurra un evento porque el calor siempre fluye de un objeto caliente a uno frío.

Motores térmicos
Ejemplo 1:
Máquina de combustión utilizada por la mayoría de los automóviles

Motores cont . . .
Ejemplo 2:
Máquina del refrigerador

El refrigerador cont . . .

Aire acondicionado

Calor específico
Cantidad de energía que hay que suplir para aumentar una unidad de temperatura una unidad de su masa
Aumento en energía termal requeridad para aumentar la temperatura de 1 kg de sustancia por 1K.
Q = mc  t

Ejemplo de calor específico
Un bloque de bronce tiene una masa de 5X 10 2 g se calienta desde 30 ºC a 60 ºC celsius. ¿ Cuánto calor absorbe el bloque?

Contestación
m=5 X 10 2 g= 0.5 kg
t i =30 º
t f = 60 º  t= 30 ºC o 30K
c=376 J/kgk Q=?
Q = mc  t = (0.5 kg) (376J/kgK) (30K)
Q = 5,640 J
Q = 5.64 KJ

Sistema aislado
es un sistema al que no se le puede suministrar ni extraer energía.
Energía del sistema aislado = constante
El calorímetro es un dispositivo diseñado para aislar un sistema del ambiente.

Cambio de estado de una substancia
Estados de la materia:
Sólido
Líquido
Gaseoso
plasma
Procesos de cambio de estado
Evaporación
Congelación
Condensación
Sublimación

Si consideramos un sistema compuesto por dos bloques de metal A y B:
Energía del sistema = constante
E A + E B = constante
E iA + E iB = E fA + E fB
(E fA – E iA ) + (E fB – E iB ) = 0
 E A +  E B = 0
 E A = -  E B La energía se conserva
12:9 La Conservación y la Transferencia de Calor cont . . .

El cambio en energía termal es igual al calor transferido:
 E = Q = mc  T
entonces:
 E A = Q A = m A c A  T A
 E B = Q B = m B c B  T B
 E A +  E B = 0 sustituir
m A c A  T A + m B c B  T B = 0
 T = T f – T i
T f = T fA = T fB
T f = (m A c A T iA + m B c B T iB )/(m A c A + m B c B )
Conservación y la Transferencia de Calor cont . . .

Ejemplo de conservación de energía
Un calorímetro contiene 0.8kg de alcohol etanol a 25 grados celsius. Si en el se coloca un pedazo de bronce de 0.05 kg de masa a 150 grados celsius, cuál será la temperatura final del sistema?

Contestación
m A =0.8kg m B =0.05 kg
t iA =25°C  t=125 °C
t iB = 150 °C t fAB =?
T f = (m A c A T iA + m B c B T iB )/(m A c A + m B c B ) sustituir valores
299K
26°C

Gráfica de cambio de estado

Calor de fusión
Fusión – proceso mediante el cual una sustancia cambia de un estado sólido a uno líquido. Temperatura de fusión – temperatura a la cual una sustancia cambia del estado sólido al líquido.

Cuando una sustancia se derrite, la energía termal que se le suple aumenta la energía potencial pero no la cinética, por eso la temperatura se mantiene constante. Al terminar de derretirse, si se le añade energía termal la temperatura aumenta nuevamente.
Calor de fusión – es la cantidad de energía necesaria para derretir una cantidad de masa de una sustancia. (H f )
12:10 Los cambios de estado cont . . .

Calor de vaporización
Temperatura de ebullición – temperatura a la cual una sustancia cambia de su estado líquido a vapor
Calor de vaporización – es la cantidad de energía termal requerida para vaporizar una unidad de masa de una sustancia. (H v )

El calor que se requiere para derretir una masa de un sólido:
Q f = mH f
Calor requerido para evaporar una masa de líquido:
Q v = mH v

Ejemplo calor de fusión:
¿Cuánto calor se requiere para derretir 5 kg de hielo a 273K inicialmente?

Contestación
m=5kg
t=273K
H f =3.34X10 5 J/kg
Q f =?
Q f =mH f = (5kg) (3.34 X10 5 J/kg)
Q f = 1.67 X 10 6 J

Ejemplo calor de vaporización:
Una muestra de 300g de agua se encuentra a 100 °C. ¿Cuánto calor será requerido para vaporizarla completamente?

Contestación
M= 300 g
T= 100 °C
Q v = ?
Q v = m H v
H v = 2.26 X 10 6 J/kg
Q v = (0.3kg) (2.26 X10 6 J/kg)
Q v =6.78 X10 5 J

Ejemplo cambio de estado:
Una muestra de 150g de agua se encuentra a una temperatura de 50 °C. Si se calienta hasta convertirla en vapor a 130 °C, ¿cuánto calor absorbería?

Contestación
Ebullición vaporización
M= 150g m= 150g
Ti=50 °C Ti=100 °C
Tf=100 °C Tf= 130 °C
cA=4180 j/kgK
Hv=2.26 X10 6 J
Dividir la solución en 2 partes
para luego sumarlas:
Q T =Q L + Q v + Q g
Q L =mc  T
(0.15kg)(4180J/kgK)(50K)
Q L = 31,350 J
Q v = m H v
= (0.15 kg)(2.26X10 6 J/kgK
=339,000J=3.39 X10 5 J
Q g =mc  T
(0.15kg)(2020J/kgK)(30K)
Q g = 9090J
Q T =Q L + Q v + Q g
=31,350J+339,000J+9090J
3.79 X10 5 J
3.8 X10 5 J

Problemas asignados
Examen miércoles, 13 de marzo de 2002
Problemas impares 1 al 27 hasta la página 211
Problemas A y B Todos

Energía termal

by Elba Sepúlveda

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