TERMOMETRIA Y DILATACION:Física Conceptual-ESPOL

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Temperatura Y Teoria Cinetica Espol

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TERMOMETRIA Y DILATACION:Física Conceptual-ESPOL

  1. 1. Termometría, Dilatación Térmica y Propagación de Calor 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 1
  2. 2. ENERGIA INTERNA – TEMPERATURA - CALOR Energía Interna: Total de energía asociada al movimiento e interacción de las partículas que constituyen una determinada sustancia Temperatura: Es una medida relativa al movimiento de traslación de las partículas. Calor: Es el flujo de la energía interna al interior de un cuerpo o de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperatura. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 2
  3. 3. Energía Interna y Temperatura. Cont. (a)La temperatura se relaciona con los movimientos aleatorios de las moléculas; la energía interna de un sistema es su energía total. (b) Una molécula puede trasladarse, vibrar o rotar (o combinación de estos tres movimientos) 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 3
  4. 4. La temperatura es una medida que se relaciona directamente con el movimiento de traslación de las partículas de una sustancia. Ojo!, la temperatura NO es una medida de la energía interna de una sustancia!! 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 4
  5. 5. PREGUNTA DE CONCEPTO: De una cafetera, llena hasta el borde, usted se sirve una tasa de café. ¿Qué es verdad respecto a la temperatura y energía interna de la cafetera comparada con la tasa de café? a) la temperatura y la energía interna es la misma en los dos recipientes b) la temperatura y la energía interna es mayor en la cafetera c) la temperatura es ligeramente menor en la tasa, pero la energía interna es mayor en la cafetera 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 5
  6. 6. Se dice que dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, si al entrar en “contacto” adquieren finalmente la misma temperatura. El termómetro “leerá” la temperatura de la persona, en el momento que el termómetro y la persona tengan la misma temperatura. Llegan al equilibrio térmico 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 6
  7. 7. Ley cero de la Termodinámica  Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces ellos se encuentran en equilibrio térmico entre sí. A B A B  Si ellos están en equilibrio térmico, se encontrarán a la misma temperatura Physics 101: Lecture 23, Pg 7
  8. 8. Q17.1 El dibujo muestra un termómetro que usa una columna de líquido (usualmente mercurio o etanol) para medir temperaturas. En equilibrio térmico, este termómetro mide la temperatura de 1. the column of liquid 2. the glass that encloses the liquid 3. the air outside the thermometer 4. both 1. and 2. 5. all of 1., 2., and 3. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 8
  9. 9. La escala Celsius de “100 divisiones”  Al punto de congelación del agua se le asigna el valor de “cero” grados  Al punto de ebullición del agua, a una (1) atmósfera de presión, se le asigna un valor de “100 grados” Entre los puntos de congelación del agua y de vapor, hay 100 grados, o 100 divisiones. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 9
  10. 10. La escala Fahrenheit de “180 divisiones”  Al punto de congelación del agua se le asigna el valor de “32 grados”  Al punto de ebullición del agua, a una (1) atmósfera de presión, se le asigna un valor de “212 grados” Entre los puntos de congelación del agua y de vapor, hay 180 grados, o 180 divisiones. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 10
  11. 11. La escala Kelvin “absoluta”  Al punto de congelación del agua se le asigna el valor de “273 grados”  Al punto de ebullición del agua, a una (1) atmósfera de presión, se le asigna un valor de “373 grados” Entre los puntos de congelación del agua y de vapor, hay 100 grados, o 100 divisiones. El cero de esta escala corresponde a la temperatura a la cual las moléculas de cualquier sustancia carecen de movimiento. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 11
  12. 12. Las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit Entre los puntos de congelación del agua y de vapor, hay 100 grados en la escala Celsius y 180 grados en la escala Fahrenheit. Por lo tanto, un grado Celsius es 1.8 veces mayor que un grado Fahrenheit. 212 32 º F 32 100 0 ºC 0 180 º F 32 100 ºC 5 ºC º F 32 21/08/2009 9 FLORENCIO PINELA - ESPOL 12
  13. 13. Comparación de las tres escalas de temperatura La escala Kelvin considera como “cero” aquel punto donde las partículas de un cuerpo carecen de movimiento. Algunos llaman a esta escala “Escala Absoluta” o 9 o o 5 o F C 32 C F - 32 5 9 o o 21/08/2009 K C 273 C K - 273 13 FLORENCIO PINELA - ESPOL
  14. 14. Prevuelo 1 Usted mide la temperatura de su cuerpo con un termómetro calibrado en Kelvin. Cuál es el valor de la lectura que esperaría? 1. 307 K 2. 310 K 3. 313 K 4. 317 K Physics 101: Lecture 23, Pg 14
  15. 15. Escalas de Temperaturas ACT  Dos tasas de café se calientan hasta 100 grados Fahrenheit. La tasa 1 se calienta adicionalmente 20 grados celsius, la tasa 2 se calienta adicionalmente 20 Kelvin. Cuál de las tasas de café está más caliente? 1) Uno 2) Dos 3) Iguales Un incremento de temperatura en grados Celsius es igual a un incremento de temperatura en Kelvin!! 50 C T = 30 C => T = 30 K 20 C Physics 101: Lecture 23, Pg 15
  16. 16. Prevuelo 2 A medida que usted calienta un bloque de aluminio desde 0 C hasta 100 C su densidad 1. Se incrementa 2. Disminuye 3. Se mantiene igual m V Physics 101: Lecture 23, Pg 16
  17. 17. Expansión Térmica a) Una barra bi metálica es fabricada de dos tiras de materiales diferentes y luego pegadas. b) Cuando la tira se calienta, ella se dobla debido a la desigual expansión de los dos metales. Aquí, el bronce se expande mas que el hierro, esto hace que la deflexión sea hacia el hierro. La deflexión del extremo se puede utilizar para medir una temperatura. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 17
  18. 18. Expansión Térmica La expansión térmica o contracción térmica es el resultado del aumento o disminución de la distancia relativa entre los átomos de una sustancia producto de un cambio de temperatura. La expansión puede ser lineal, superficial o volumétrica 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 18
  19. 19. (a) La expansión lineal de un material, ΔL, es proporcional al cambio de temperatura y a la longitud del material Lo. L Lo T LF Lo (1 T) donde α es el coeficiente de expansión térmica lineal. Característico de cada 21/08/2009 material. FLORENCIO PINELA - ESPOL 19
  20. 20. Expansión Diferencial ACT  Una tira bimetálica está hecha con aluminio =16x10-6 /K sobre la izquierda, y hierro =12x10-6 /K sobre la derecha. A temperatura ambiente, la longitud de las tiras es la misma. Si usted calienta la tira bimetálica, cómo luciría la tira? 1 2 3 Physics 101: Lecture 23, Pg 20
  21. 21. La figura muestra un placa rectangular de bronce (zona oscura) en la que se ha recortado un agujero, también rectangular, de dimensiones x e y como se indica. Si la placa se caliente uniformemente: x y A. x aumentará e y disminuirá B. tanto x como y disminuirán C. x disminuirá e y aumentará D. tanto x como y aumentarán FLORENCIO PINELA - ESPOL 21 21/08/2009
  22. 22. Una varilla de hierro es mas larga que la otra según se indica. Ambas están a la misma temperatura. Sus temperaturas se aumentan ahora la misma cantidad. ¿Qué será cierto de los cambios de longitud de las dos varillas? a) Los cambios serán iguales b) El cambio será mayor para la varilla más larga c) El cambio será mayor para la varilla más corta d) Ninguna de las varillas cambiará la longitud FLORENCIO PINELA - ESPOL 22 21/08/2009
  23. 23. Un anillo metálico tiene una pequeña brecha como se indica. Si se caliente el anillo, la anchura de la brecha en el anillo a) aumentará b) disminuirá c) permanecerá lo mismo d) aumentará inicialmente y luego disminuirá FLORENCIO PINELA - ESPOL 23 21/08/2009
  24. 24. Why does the hole get bigger when the plate expands ??? Imagine a plate made from 9 smaller pieces. Each piece expands. If you remove one piece, it will leave an “expanded hole” Object at temp T Same object at higer T: Plate and hole both get larger FLORENCIO PINELA - ESPOL 24 21/08/2009
  25. 25. Un objeto sólido (con un agujero) se expande a medida que su temperatura incrementa. Cuál de estas ilustraciones muestra correctamente el cambio en el tamaño del agujero a medida que aumenta la temperatura? 1. illustration #1 2. illustration #2 3. answer depends on the material of which the object is made 4. answer depends on how much the temperature increases 5. both 3. and 4. are correct FLORENCIO PINELA - ESPOL 25 21/08/2009
  26. 26. Prevuelo 5 & 6 Una lámina de aluminio tiene un hueco circular. Una esfera sólida del mismo material tiene exactamente el mismo diámetro que el agujero cuando ambos se encuentran a temperatura ambiente, y calza exactamente en él. Si tanto la lámina como la esfera se calientan unos cuantos cientos de grados Celsius, cómo calza la esfera en el agujero? 1. La esfera no calzará más en el agujero 2. La esfera entrará más facilmente en el agujero 3. Calza igual que a temperaura ambiente Si la esfera y la lámina son del mismo material y la esfera tiene el mismo diámetro que el agujero, los diámetros finales serán los mismos si son sometidos al mismo cambio de temperatura!! FLORENCIO PINELA - ESPOL 26 21/08/2009
  27. 27. Expansión Act. Una jarra de vidrio ( = 3x10-6 K-1) tiene una cinta metálica ( = 16x10-6 K-1) ajustada a ella. Si usted los calentara colocando agua caliente en la jarra, la cinta será A. Fácil de retirar B. Dificil de retirar C. No hay variación Linealmente la cinta metálica se dilatará más que el recipiente de vidrio, en consecuencia, la cinta será más fácil de retirar!! FLORENCIO PINELA - ESPOL 27 21/08/2009
  28. 28. Expansión Act. Un recipiente cilíndrico de vidrio ( = 28x10-6 k-1) está lleno completamente con agua ( = 208x10-6 k-1) . Si el recipiente y el agua se calientan 50 C qué sucederá? A) Algo de agua se derramará B) El nivel no cambia C) El agua baja de nivel en la jarra El coeficiente de expansión volumétrica del agua es mayor que el del vidrio, en consecuencia, si el incremento de temperatura es el mismo, algo de agua se derramará!! Physics 101: Lecture 23, Pg 28
  29. 29. Expansión térmica del agua El agua exhibe un comportamiento no lineal de expansión cerca de su punto de congelación. (a) Sobre 4 ºC, el agua se expande con el incremento de temperatura, pero bajando de 4 ºC a 0 ºC, esta se expande al bajar la temperatura. (b) Como resultado, el agua tiene su máxima densidad a 4 ºC. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 29
  30. 30. Swimming Preflight Not being a great athlete, and having lots of money to spend, Gill Bates decides to keep the lake in his back yard at the exact temperature which will maximize the buoyant force on him when he swims. Which of the following would be the best choice? A. 0 C 1000,00 999,95 B. 4 C 999,90 C. 32 C 999,85 999,80 D. 100 C 999,75 Density FB = lVg 999,70 E. 212 C 999,65 999,60 999,55 0 2 4 6 8 10 Physics 101: Lecture 23, Pg 30
  31. 31. El coeficiente de expansión lineal del Al es 25.00 x 10-6/ºC. Si una barra de Al de 20.00 metros de longitud a 15.00ºC se calienta hasta que su longitud es de 20.02 metros, Cuál es el valor de la temperatura final? (a.) 40.00 ºC (b.) 4.004 x 104 ºC (c.) 4.006 x 104 ºC (d. ) 55.00 ºC (e.) The Al would melt first. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 31
  32. 32. Calor  Definición: Flujo de energía entre dos objetos debido a una diferencia de temperatura  Nota: similar al TRABAJO  Los objetos no “tienen” calor (tienen energía)  Unidades: caloría  Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un 1g de agua en 1ºC  1 Kilocaloría = 1000 calorías = 4186 Joules FLORENCIO PINELA - ESPOL 32 21/08/2009
  33. 33. Unidades del Calor (a) Una Kilocaloría es la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilo de agua en 1ºC. (b) Una caloría eleva la temperatura de 1 g de agua en 1ºC. (c) Un Btu eleva la temperatura de 1 lb. de agua en 1ºF. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 33
  34. 34. Aparato de Joule para determinar el equivalente mecánico 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 1ºC. Es decir, 4186 J es equivalente a 1 Kcal. 1Kcal 4186J 1BTU 0,252Kcal 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 34
  35. 35. Act  Después de realizar ejercicios, usted ingiere un litro de agua helada a (0 C). Cuántas calorías se toman de su cuerpo hasta elevar la temperatura del agua para alcanzar los 36 C (temperatura media del cuerpo)? 1) 36 2) 360 3) 3,600 4) 36,000 FLORENCIO PINELA - ESPOL 35 21/08/2009
  36. 36. Calor Específico (c) Calor Específico (c). Relación entre la capacidad calorífica y la unidad de masa. El calor específico es independiente de la masa. “calor específico” • Relativo a las diferentes formas en que una molécula se puede mover;Traslación-rotación-vibración • Mientras mayor es el número de formas en que se mueven, mayor es el calor específico C c m Q J J c m T kg º K kg º C Esta expresión es válida para calcular Q mc T la cantidad de calor que intercambia un cuerpo en estado líquido o sólido, 21/08/2009 cuando cambia su temperatura. FLORENCIO PINELA - ESPOL 36
  37. 37. Se quiere obtener agua caliente calentándola en un horno de microondas. Suponga que el horno tiene una potencia de 1000 w y que el agua se encuentra inicialmente a 15 Celsius. ¿Cuánto tiempo se requiere para calentar 1 kg de agua hasta 80 Celsius? 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 37
  38. 38. Ejemplo: Un calentador eléctrico de inmersión consume 1500 W. Si se lo coloca en 1 litro de agua a 20 C. Cuántos minutos tardará en comenzar a hervir el agua (desprecie las pérdidas)? Sabemos que se necesita 1 kcal para elevar en 1 C la temperatura a kg de agua. Por lo tanto necesitamos 80 kcal. Podemos también hacer uso de la ecuación: kcal Q mc T 1kgx1 (100 20) o C 80 kcal kg oC Transformamos las kcal en Joules 80 kcal 80 x4186 J ENERGIA 334880 J J Potencia 1500 TIEMPO t s 334880 t 223, 5 s 1500 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 38
  39. 39. Conducción, Convección+Radiación Physics 101: Lecture 23, Pg 39
  40. 40. TRANSFERENCIA DE CALOR Conducción Térmica. Cont… La rapidez con que el calor fluye a través del interior de un cuerpo o de un cuerpo a otro, es función: • Del cambio de temperatura, T • Del tipo de material, k • Del área perpendicular al flujo del calor, A • De la distancia que viaja el calor, L 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 40
  41. 41. Transferencia de Calor por Convección  El agua se calienta en la parte inferior  Se produce expansión térmica…la densidad disminuye  El agua menos densa asciende  El agua más fria empuja hacia abajo  El ciclo continúa con el resultado neto de la circulación del agua Physics 101: Lecture 23, Pg 41
  42. 42. Convección Forzada • Las casas son normalmente calentadas o enfriadas por convección forzada. • Podría usted explicar ¿por qué los calentadores se colocan sobre el piso mientras que los acondicionadores de aire se colocan bajo el tumbado. Physics 101: Lecture 23, Pg 42
  43. 43. RADIACIÓN TÉRMICA • La radiación térmica son ondas electromagnéticas que emiten los cuerpos en función de su temperatura • La mayor parte de la radiación térmica se encuentra en el rango infrarrojo. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 43
  44. 44. RADIACIÓN TÉRMICA •De todo el espectro electromagnético, la radiación térmica es la única que genera considerables incrementos de temperatura, ya que comparada con radiación más energética, no tiene mucho poder de penetración. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 44
  45. 45. Fin de esta unidad Physics 101: Lecture 23, Pg 45
  46. 46. Q17.3 Usted desea incrementar la temperatura de un bloque de 1.00 kg de una cierta sustancia desde 20°C hasta 25°C. (el bloque se mantiene sólido durante el cambio de temperatura.) para calcular la cantidad de calor requerido para hacer esto, usted necesita conocer 1. the specific heat of the substance 2. the molar heat capacity of the substance 3. the heat of fusion of the substance 4. the thermal conductivity of the substance 5. more than one of the above 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 46
  47. 47. Capacidad Calorífica ACT Suponga que tiene dos recipientes aislados conteniendo la misma cantidad de agua a temperatura ambiente. Usted tiene dos bloques metálicos de la misma masa y a la misma temperatura pero mayor que la temperatura del agua en los recipientes. Un bloque esta hecho de aluminio y el otro de cobre. Si usted coloca cada uno de los bloques en cada uno de los recipientes, y después de unos cuantos minutos usted mide la temperatura del agua en cada uno de los recipientes. En cuál de ellos el agua está más caliente? 1. El agua en el recipiente que contiene el bloque de aluminio 2. El agua en el recipiente que contiene el bloque de cobre 3. El agua en ambos recipientes se encuentran a la misma temperatura Sustancia c in J/(kg-C) Aluminio 900 Cobre 387 Physics 101: Lecture 25, Pg 47
  48. 48. Diagramas de Fase El estado (fase) en que se encuentre una sustancia, es determinada por el valor de la presión y temperatura a la que se encuentre. Physics 101: Lecture 23, Pg 48
  49. 49. Cambios de fase (estado) Las moléculas de una sustancia pueden experimentar simultáneamente movimientos de traslación, rotación y vibración. Adicionalmente entre las moléculas existe una energía de “ligadura” la que se conoce como energía potencial de interacción. Cuando una sustancia cambia de fase, la energía que ella absorbe es la que necesita para romper la ligadura, es decir, que la energía suministrada NO contribuye a la energía de movimiento de sus moléculas, en consecuencia, su temperatura NO cambia. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 49
  50. 50. Calor Latente L (Revisión)  As you add heat to water, the temperature increases for a while, then it remains constant, despite the additional heat! water steam T water changes temp temp to steam rises rises (boils) 100oC Substance Lf (J/kg) Lv (J/kg) Latent Heat water 33.5 x 104 22.6 x 105 Q added to water  LatentHeat L [J/kg] is heat which must be added (or removed) for material to change phase (liquid- gas). Physics 101: Lecture 23, Pg 53
  51. 51. Ice Act  Which can absorve more energy from your soda, a “cooler” filled with water at 0C, or a cooler filled with ice at 0 C. A) Water B) About Same C) Ice Latent Heat L [J/kg] is heat which must be added (or removed) for material to change phase (liquid- gas). ice water Tice changes temp temp to water rises rises (melts) 0oC Substance Lf (J/kg) Lv (J/kg) Latent Heat water 33.5 x 104 22.6 x 105 Q added to water Physics 101: Lecture 23, Pg 54
  52. 52. Cooling Act  During a tough work out, your body sweats (and evaporates) 1 liter of water to keep cool (37 C). How much water would you need to drink (at 2C) to achieve the same thermal cooling? (recall CV = 4.2 J/g C for water, Lv=2.2x103 J/g) A) 0.15 liters B) 1.0 liters C) 15 liters D) 150 liters Physics 101: Lecture 23, Pg 55
  53. 53. Cooling ACT  Whathappens to the pressure in the beaker when placed in ice-water 1) Increases 2) Decreases 3) Same PV = nRT Physics 101: Lecture 23, Pg 56
  54. 54. Boiling ACT  Whathappens to the boiling point when beaker is placed in ice-water 1) Increases 2) Decreases 3) Same Physics 101: Lecture 23, Pg 57
  55. 55. Cambios de fase (estado), cont… Energía requerida para elevar la temperatura y cambiar de fase a 1 kg de agua ¿Podría determinarse a partir del gráfico el calor específico del hielo y del agua? 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 58
  56. 56. Calor latente de fusión (Lf) Lf= 80 kcal/kg ¿Podría determinarse a partir del gráfico el calor latente del hielo y del agua? Calor latente de evaporación (Le) 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 59 Le= 540 kcal/kg
  57. 57. Se quiere obtener agua caliente a partir de hielo calentándolo en un horno de microondas. Suponga que el horno tiene una potencia de 1000 w y que el hielo se encuentra inicialmente a -5 Celsius. ¿Cuánto tiempo se requiere para calentar 1 kg de hielo hasta 80 Celsius? 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 60
  58. 58. Example  How much ice (at 0 C) do you need to add to 0.5 liters of a water at 25 C, to cool it down to 10 C? (L = 80 cal/g, c = 1 cal/g C) Qwater mc T (0.5kg )(1cal / gC )(15C ) (7,500 calories) Qice mL mc T m 83.3 grams Qice m L c T 7,500cal m 80cal / g (1cal / gC )(10) Physics 101: Lecture 25, Pg 61
  59. 59. Etapas en los cambios de fase Al pasar 1 Kg. de agua de 20ºC a vapor a 110ºC, tres procesos de transferencia de calor se involucran, cuánta energía se requiere?(cvapor=1,97 J/g C) Q1= m cagua(100-20) = 1x4186(80) J Qv= mLv = 1x2,26x106 J Q2 = m Cvapor (110-100) =1x1970 (10) J 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 62
  60. 60. Un kilogramo de sustancia da lugar al grafico Q vs T de la figura a) Determine los puntos de fusión y ebullición, en unidades SI. b) Los calores específicos de la sustancia en sus distintas fases. c) Los calores latentes de la sustancia en sus distinos cambios de fase. 0, 2 x104 J J csolida 200 o 1kgx10o C kg C 0,6 x104 J J cliquida 200 1kgx30 oC kg oC 0, 4 x104 J J L fusion 4000 1kg kg 0, 6 x104 J Levaporacion 6000 1kg kg 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 63
  61. 61. CALORIMETRÍA • Calorimetría es la medición cuantitativa del intercambio de calor entre cuerpos. • El calor específico de un material se puede determinar midiendo el intercambio de calor con otro (s) cuerpo (s) n Qi 0 1 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 64
  62. 62. Ejemplo: Para determinar el calor específico de una nueva aleación metálica, 0,15 kg de la sustancia se calienta a 400 C y luego se colocan en un vaso de calorímetro (c = 0,22 Kcal/kg C) de 0,20 kg que contiene 0,40 kg de agua a 10 C. Si la temperatura final de la mezcla es de 30,5 C. ¿Qué calor específico tiene la aleación? n Qi 0 1 Qaleacion Qcalorimetro Qagua 0 Q mc T 0,15 caleacion (30,5 400) 0, 20 x0, 22(30,5 10) 0, 40 x1(30,5 10) 0 kcal caleacion 0,164 o 21/08/2009 kg C FLORENCIO PINELA - ESPOL 65
  63. 63. Ejemplo: Un calentador eléctrico de inmersión consume 1500 W. Si se lo coloca en 1 litro de agua a 20 C. Cuántos minutos tardará en comenzar a hervir el agua (desprecie las pérdidas)? Sabemos que se necesita 1 kcal para elevar en 1 C la temperatura a kg de agua. Por lo tanto necesitamos 80 kcal. Podemos también hacer uso de la ecuación: kcal Q mc T 1kgx1 (100 20) o C 80 kcal kg oC Transformamos las kcal en Joules 80 kcal 80 x4186 J ENERGIA 334880 J J Potencia 1500 TIEMPO t s 334880 t 223, 5 s 1500 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 66
  64. 64. 2 kg de hielo de una congeladora a –15 C se mezclan con 10 kg de agua a 30 C. Determinar la temperatura final de la mezcla después de alcanzar el equilibrio. Las pérdidas de energía al entorno son despreciables. Datos: Calor específico del hielo: 2,1x103 J kg-1 C-1 Calor específico del agua: 4,2x103 J kg-1 C-1 Calor latente de fusión del hielo: 3,4x105 J kg-1 2 kg x 2,1x103 J/kg C (0 –(-15)) C + 2kg x 3,4x105 J/kg +2 kg x 4,2x103 J/kg C (Tf - 0) C Tf= 10,2 C + 10 kg x 4,2x103 J/kg C (Tf – 30) C = 0 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 67
  65. 65. Revisión  El Calor es FLUJO de energía El flujo de energía puede incrementar la temperatura  Calor Específico  t = Q / (c m)  Calor Latente  Calor asociado con cambios de fase  A continuación: Calor Conducción Convección Radiación Physics 101: Lecture 23, Pg 68
  66. 66. Conducción, Convección+Radiación Physics 101: Lecture 23, Pg 69
  67. 67. Una silla tiene asiento de madera pero “patas” de metal. Las patas de metal se sienten frías al tacto, comparadas con el asiento de madera. ¿Por qué es esto? 1. the metal is at a lower temperature than the wood 2. the metal has a higher specific heat than the wood 3. the metal has a lower specific heat than the wood 4. the metal has a higher thermal conductivity than the wood 5. the metal has a lower thermal conductivity than the wood 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 70
  68. 68. TRANSFERENCIA DE CALOR Conducción Térmica. Cont… La rapidez con que el calor fluye a través del interior de un cuerpo o de un cuerpo a otro, es función: • Del cambio de temperatura, T • Del tipo de material, k • Del área perpendicular al flujo del calor, A • De la distancia que viaja el calor, L Q kA T J H t x s ¿Qué significa el signo negativo? Q k A(T1 T2 ) H 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL t x 71
  69. 69. Transferencia de Calor: Conducción  Moléculas “calientes” tienen más E.C. que las moleculas “frias”  Moléculas con mayor rapidez, sobre la izquierda, colisionan con las moléculas de menor rapidez sobre la derecha  La energía se transfiere a las moléculas de menor E.C.  el calor se propaga de mayor temperatura a menor temperatura  H = rapidez de transferencia de calor = Q/t [J/s] H= A (T1-T2)/L L= x T1 T2  = “Conductividad térmica” Hot Cold » Unidades: J/s-m-C Area A » Buen conductor del calor…valor grande de » Buen aislador térmico … valor pequeño de Physics 101: Lecture 23, Pg 72
  70. 70. T T1 Régimen transitorio Régimen Estacionario T2 x T1 Q T2 Barra de longitud L y sección transversal A Q A T H k 21/08/2009 t x FLORENCIO PINELA - ESPOL 73
  71. 71. Ejemplo: Estime la rapidez con que ingresa calor por las paredes de una casa de dimensiones 10 m x 10 m x 3 m, suponiendo que las paredes está hechas de concreto (k=1,3 W/m°C) de 10 cm. de espesor. Realizar el cálculo para un día soleado de invierno donde la temperatura exterior es de 35 °C y la temperatura interior es de 22 °C. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 74
  72. 72. Q RAPIDEZ DE FLUJO DE CALOR t H Q A T t x Q A T J H k t x s k Conductividad te´rmica T T gradiente de temperatura x d Q A(T1 T2 ) Expresión H válida para el i N t Li caso de paredes 21/08/2009 ki compuestas. i 1 FLORENCIO PINELA - ESPOL 75
  73. 73. Conducción con 2 capas ACT  Compare el flujo de calor a través de los materiales 1 y 2. A) H1 > H2 B) H1=H2 C) H1 < H2  Estime el valor de t0, la temperatura entre los dos materiales A) 5 C B) 12.5 C C) 20 C H1 H2 Fuera: T2 = 0C Dentro: T1= 25C x1 = 0.02 m A1 = 35 m2 k1 = 0.080 J/s-m-C x2 = 0.075 m A2 = 35 m2 k2 = 0.030 J/s-m-C T0 Physics 101: Lecture 23, Pg 76
  74. 74. Conduction w/ 2 layers  Find H=Q/t in J/s Key Point: Continuity (just like fluid flow) » H1 = H2 » 1A(T0-TC)/ x1 = 2A(TH-T0)/ x2 » solve for T0 = temp. at junction » then solve for H1 or H2  answers: T0=2.27 C H=318 Watts H1 H2 Outside: TC = 0C Inside: TH = 25C x1 = 0.02 m A1 = 35 m2 k1 = 0.080 J/s-m-C x2 = 0.075 m A1 = 35 m2 k1 = 0.030 J/s-m-C T0 Physics 101: Lecture 26, Pg 77
  75. 75. Conducción con 2 capas Determinemos la rapidez de flujo de calor H Q A(T1 T2 ) Q 35(25 0) 875 H H 318,18 J / s t L1 L2 t 0, 02 0, 075 2, 75 K1 K 2 0, 08 0, 03 Q A(T1 T0 ) Q 35(25 T0 ) H H 318,18 To 2, 27 o C t L2 t 0, 075 K2 0, 03 H1 H2 Fuera: T2 = 0C Dentro: T1 = 25C x1 = 0.02 m A1 = 35 m2 k1 = 0.080 J/s-m-C x2 = 0.075 m A2 = 35 m2 k2 = 0.030 J/s-m-C T0 Physics 101: Lecture 23, Pg 78
  76. 76. Una pared de una casa consiste de un bloque sólido de concreto con una capa externa de tabique y una capa interna de aglomerado. Si la temperatura exterior en un día caluroso es de 40 C y la temperatura interior esde 20 C. Cuánta energía se conducirá a través de una pared con dimensiones de 3,5 m x 5,0 m en una hora? Q A(T1 T2 ) t L1 L2 L3 K1 K 2 K 3 J ktabique 0,5 s.m.o C J kconcreto 0,8 s.m.o C J kaglomerado 0,1 s.m.o C Q 3,5 x5(40 20) J /s t 0, 07 0,15 0, 02 0.5 0,8 0,1 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 79
  77. 77. Lecture 23, Preflight 1 Which of the following is an example of convective heat transfer? 1. You stir some hot soup with a silver spoon and notice that the spoon warms up. 2. You stand watching a bonfire, but can’t get too close because of the heat. 3. Its hard for central air-conditioning in an old house to cool the attic. correct Physics 101: Lecture 26, Pg 80
  78. 78. Transferencia de Calor por Convección  El agua se calienta en la parte inferior  Se produce expansión térmica…la densidad disminuye  El agua menos densa asciende  El agua más fria empuja hacia abajo  El ciclo continúa con el resultado neto de la circulación del agua Physics 101: Lecture 23, Pg 81
  79. 79. Ciclos de Convección • La diferencia de temperatura entre la tierra y el agua son el resultado de su diferencia en el calor específico. • El agua tiene un calor específico mucho mayor, en consecuencia la tierra se calienta más rápidamente durante el día. • Durante la noche, la tierra se enfría más rápidamente, mientras que el agua permanece ¨tibia¨. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 82
  80. 80. Convección Forzada • Las casas son normalmente calentadas o enfriadas por convección forzada. • Podría usted explicar ¿por qué los calentadores se colocan sobre el piso mientras que los acondicionadores de aire se colocan bajo el tumbado. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 83
  81. 81. RADIACIÓN TÉRMICA • La radiación térmica son ondas electromagnéticas que emiten los cuerpos en función de su temperatura • La mayor parte de la radiación térmica se encuentra en el rango infrarrojo. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 84
  82. 82. RADIACIÓN TÉRMICA •De todo el espectro electromagnético, la radiación térmica es la única que genera considerables incrementos de temperatura, ya que comparada con radiación más energética, no tiene mucho poder de penetración. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 85
  83. 83. Transferencia de Calor: Radiación  Todos los cuerpos irradian energía electromagnética Hemit = Q/t = eA T4 Ambiente a T 0 » e = emisividad (entre 0 y 1) “Cuerpo negro” perfecto, tiene e = 1 Estufa  T caliente » T es la temperatura Kelvin » = constante de Stefan-Boltzmann = 5.67 x 10-8 J/s-m2-K4 No requiere un “medio” para propagarse  Todos los cuerpos absorben energía de sus alrededores Habsorb = eA T04 » Buen emisor (e próximo a 1) son también buenos absorbentes Physics 101: Lecture 23, Pg 86
  84. 84. Una superficie altamente reflectiva es: a)buen reflector y buen emisor b)buen emisor y mal absorbedor c)mal absorbedor y mal emisor Physics 101: Lecture 23, Pg 87
  85. 85. Rapidez de flujo de calor por radiacion. Cont.. Q 4 AeT t • = 5.67 x 10-8 W/m2.K4 • e: emisividad de la superficie(0 < e < 1) • A: Area de la superficie caliente. • T: Temperatura (absoluta) de la superficie. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 88
  86. 86. La energía proveniente del sol que llega a nuestro planeta en la atmósfera exterior es de aproximadamente 1000 W/m2. Si la distancia media entre la Tierra y el sol es de 149,6x106 km y suponiendo que el sol es un emisor perfecto, determine el valor aproximado de la temperatura en la superficie del sol. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 89
  87. 87. Transferencia NETA de Calor: Radiacion  Todoslos cuerpos irradian y absorben energía electromagnética al mismo tiempo Hemit = Q/t = eA T4 Ambiente a T0 Habsorb = eA T04 T Hot stove Hnet = Hemit - Habsorb = eA (T4 - T04) » Si, T > T0, el cuerpo se enfría » Si, T < T0, el cuerpo se calienta Physics 101: Lecture 23, Pg 90
  88. 88. Enfriamiento de la Tierra! La Tierra tiene una temperatura superficial de aproximadamente 270 K y una emisividad de 0.8, mientras que el espacio tiene una temperatura de alrededor de 2 K. Cual es la potencia neta irradiada por la Tierra al espacio? (El radio de la Tierra y del sol son: Rt = 6.38×106 m, Rs = 7×108 m.) Hnet = Hemit - Habsorb = Ae(T4 - T04) 8 6 2 4 4 (5, 67 x10 )4 (6,38 x10 ) (0,8)(270 2 ) 1,23x1017 W Physics 101: Lecture 23, Pg 91
  89. 89. Transferencia de Calor por Radiación En un horno de microondas, las microondas (un tipo de radiación electromagnética) son absorbidas principalmente por las moléculas de agua, las que son puestas a oscilar generando aumento de su energía interna por efecto del rozamiento entre ellas, dando lugar al incremento de la temperatura. 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 92
  90. 90. Calentamiento por conducción, convección, y radiación 21/08/2009 FLORENCIO PINELA - ESPOL 93

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