Energía termal

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Se discute el tema de la energía termal desde el punto de vista de la interacción con la materia

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Energía termal

  1. 1. La energía termal Sra. Elba M. Sepúlveda CROEM
  2. 2. Teoría Cinética <ul><li>Teoría cinética= establece que toda la materia se compone por partículas pequeñas, diminutas (moléculas) que siempre están en movimiento </li></ul>    
  3. 3. Tipos de energía: <ul><li>Energía mecánica </li></ul><ul><li>Energía química </li></ul><ul><li>Energía eléctrica </li></ul><ul><li>Energía solar </li></ul><ul><li>Energía nuclear o atómica </li></ul><ul><li>Energía aeólica </li></ul>
  4. 4. Energía térmica <ul><li>Energía almacenada en la materia provocada por una diferencia en temperatura. </li></ul><ul><li>Energía termal </li></ul><ul><li>A través del calor del fuego </li></ul><ul><li>Aumento en temperatura </li></ul><ul><li>Suma de la energía potencial y cinética de las partículas que componen un objeto. </li></ul>
  5. 5. Energía interna <ul><li>suma de las energías cinética y potencial de las partículas </li></ul><ul><li>También se conoce como energía termal </li></ul><ul><li>Hay 3 formas de transferir la energía termal: </li></ul><ul><ul><li>Conducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Convección </li></ul></ul><ul><ul><li>radiación </li></ul></ul>
  6. 6. Mecanismos de Transferencia de Calor <ul><li>Hay 3 mecanismos de transferir la energía: </li></ul><ul><ul><li>Conducción </li></ul></ul><ul><ul><li>Convección </li></ul></ul><ul><ul><li>Radiación </li></ul></ul>
  7. 8. Ejemplos de mecanismos de transferencia de calor <ul><li>Convección </li></ul>
  8. 9. Energía externa <ul><li>Surge como el resultado de la posición y movimiento de la partícula. </li></ul>
  9. 10. Termodinámica <ul><li>Rama de la ciencia física que intennta convertir el calor en fuerza motriz y la fuerza motriz en calor. </li></ul><ul><li>Las bases de la termodinámica están sentadas en los procesos en los que hay calor envuelto </li></ul><ul><li>Sus leyes se relacionan a cantidades macroscópicas. </li></ul>
  10. 11. Sistema <ul><li>La porción de materia que separamos en nuestra mente del ambiente externo que lo circunda. </li></ul>Ambiente <ul><li>Todo lo que se encuentra fuera del sistema y que tienen contacto directo con el comportamiento de este </li></ul>
  11. 12. B.T.U. <ul><li>British Termal Unit </li></ul><ul><li>Cantidad de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit (64°F a 65°F) a una libra de agua. </li></ul><ul><li>Un BTU equivale a 252 calorías </li></ul><ul><li>1.0 kcal= 1000cal = 3.968 btu </li></ul>
  12. 13. Temperatura <ul><li>Medida de la energía cinética promedio de un cuerpo </li></ul><ul><li>Instrumento: </li></ul><ul><ul><ul><li>Termómetro </li></ul></ul></ul><ul><li>Escalas </li></ul><ul><ul><li>Farenheit </li></ul></ul><ul><ul><li>Anders Celsius </li></ul></ul><ul><ul><li>Kelvin </li></ul></ul>
  13. 14. Gabriel Farenheit <ul><li>Inventó su escala en el 1712 </li></ul><ul><li>Basada en la temperatura de congelación y ebullición del agua </li></ul><ul><ul><li>Congelación = 32ºF </li></ul></ul><ul><ul><li>Ebullición = 212ºF </li></ul></ul><ul><ul><li>Cuerpo humano = 98.6 ºF </li></ul></ul>
  14. 15. Anders Celsius <ul><li>Inventó su escala en el 1742 </li></ul><ul><li>Hoy se conoce como grados centígrado </li></ul><ul><li>Basada también en la congelación y ebullición del agua </li></ul><ul><ul><li>Congelación = 0 ºC </li></ul></ul><ul><ul><li>Ebullición = 100 ºC </li></ul></ul><ul><ul><li>Cuerpo = 37 ºC </li></ul></ul>
  15. 16. William Thomson (Lord Kelvin) <ul><li>Su escala de temperatura está basada en la energía cinética de las moléculas. </li></ul><ul><li>Cero absoluto </li></ul><ul><ul><li>No puede haber una temperatura menor que -273 ºC </li></ul></ul>
  16. 17. Temperatura <ul><li>Medida de la energía cinética promedio de un cuerpo </li></ul><ul><li>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 </li></ul><ul><li>Termoscopio = termómetro sin calibrar </li></ul><ul><li>Recurso del internet: Equilibrio térmico </li></ul><ul><li>http://jersey.uoregon.edu/vlab/Thermodynamics/therm1a.html </li></ul>
  17. 18. Ecuación de conversión <ul><li>De Farenheit a Celsius </li></ul><ul><li>De Centígrado a Fahrenheit </li></ul><ul><li>De Kelvin a Centígrado </li></ul><ul><li>Recurso Internet:Convertidor de temperatura </li></ul><ul><li>http://www.wbuf.noaa.gov/tempfc.htm </li></ul>
  18. 19. Gráfica de Ferenheit vs Celsius
  19. 20. Conversión de Farenheit a Celsius <ul><li>m=  y/  x = (y 2 -y 1 )/(x 2 -x 1 ) </li></ul><ul><li>= (212-32)/(100-0) = 180/100 = (9/5) </li></ul><ul><li>9/5 = (y –32)/(x-0) = </li></ul><ul><li>y= (9/5) x +32 </li></ul><ul><li>°F = (9/5) °C +32 </li></ul>
  20. 21. Ecuación de conversión <ul><li>De Farenheit a Celsius </li></ul><ul><li>De Centígrados a Farenheit </li></ul><ul><li>De Kelvin a Centígrado </li></ul>
  21. 22. Ecuaciones de conversión <ul><li>°F = (9/5) °C +32 </li></ul><ul><li>°C = (5/9) (°F –32) </li></ul><ul><li>K = °C + 273.15 </li></ul>
  22. 23. Ejemplos de Conversiones <ul><li>25°C = ____ °F 68 °F = ____ °C </li></ul><ul><li>-40 °C = ____ °F 190°F = ____ °C </li></ul><ul><li>30K = _____ °C </li></ul><ul><li>175K = _____ °F </li></ul>
  23. 24. Soluciones <ul><li>25°C = 77 °F 68 °F = 20 °C </li></ul><ul><li>-40 °C = 40 °F 190°F = 87.8 °C </li></ul><ul><li>30K = 303 °C </li></ul><ul><li>175K = -144.67 °F </li></ul>
  24. 25. Ejemplo: <ul><li>Escribe la ecuación de conversión de escala de temperatura de Sepúlveda a Centígrado. </li></ul><ul><ul><li>Congelación = 25 ºC </li></ul></ul><ul><ul><li>Ebullición = 50 ºC </li></ul></ul><ul><ul><li>Cuerpo = ??? ºC </li></ul></ul>
  25. 26. Contestación: <ul><li>Ecuación: </li></ul><ul><ul><li>m=  y/  x = (50-25)/(100-0)=25/100 </li></ul></ul><ul><ul><li>m= ¼ ¼=(y-25)/(x-0) </li></ul></ul><ul><ul><li>¼ x = y – 25 y=1/4x+25 </li></ul></ul><ul><ul><li>°S = 1/4 °C +25 </li></ul></ul><ul><li>Conversión: 37 °C=____ °S </li></ul><ul><ul><li>37 °C= 34.25 °S </li></ul></ul>
  26. 27. Primera Ley de Termodinámica <ul><li>Calor </li></ul><ul><ul><ul><li>Energía que fluye debido a una diferendia en temperatura </li></ul></ul></ul><ul><li>El aumento total de la energía termal de un sistema es la suma del trabajo realizado sobre el sistema y el calor añadido </li></ul><ul><li>Todas las formas de energía se miden Julios </li></ul>
  27. 28. 12:6 La Primera Ley de Termodinámica cont . . . <ul><li>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. </li></ul>
  28. 29. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>4,184 J = 1 cal de energía térmica = equivalente mecánico del calor. </li></ul>Demostración . . .
  29. 30. Formas de aumentar la energía termal: <ul><li>añadiendo calor realizando trabajo </li></ul>
  30. 31. Termodinámica <ul><li>Estudio de las propiedades termales de la materia </li></ul><ul><li>Q= calor </li></ul><ul><li>1 caloría = 4.18 J </li></ul>
  31. 32. Segunda Ley de termodinámica <ul><li>Entropía = medida del desorden de un sistema. Medida de la falta de disponibilidad de la energía </li></ul><ul><li>Establece: Los procesos naturales ocurren en una dirección tal que la entropía total del Universo aumenta. </li></ul>
  32. 33. Segunda Ley de termodinámica <ul><li>Trata sobre la probabilidad de que ocurra un evento porque el calor siempre fluye de un objeto caliente a uno frío. </li></ul>
  33. 34. Motores térmicos <ul><li>Ejemplo 1: </li></ul><ul><li>Máquina de combustión utilizada por la mayoría de los automóviles </li></ul>
  34. 35. Motores cont . . . <ul><li>Ejemplo 2: </li></ul><ul><li>Máquina del refrigerador </li></ul>
  35. 36. El refrigerador cont . . .
  36. 37. Aire acondicionado
  37. 38. Calor específico <ul><li>Cantidad de energía que hay que suplir para aumentar una unidad de temperatura una unidad de su masa </li></ul><ul><li>Aumento en energía termal requeridad para aumentar la temperatura de 1 kg de sustancia por 1K. </li></ul><ul><li>Q = mc  t </li></ul>
  38. 39. Ejemplo de calor específico <ul><li>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? </li></ul>
  39. 40. Contestación <ul><li>m=5 X 10 2 g= 0.5 kg </li></ul><ul><li>t i =30 º </li></ul><ul><li>t f = 60 º  t= 30 ºC o 30K </li></ul><ul><li>c=376 J/kgk Q=? </li></ul><ul><li>Q = mc  t = (0.5 kg) (376J/kgK) (30K) </li></ul><ul><li>Q = 5,640 J </li></ul><ul><li>Q = 5.64 KJ </li></ul>
  40. 41. Sistema aislado <ul><li>es un sistema al que no se le puede suministrar ni extraer energía. </li></ul><ul><li>Energía del sistema aislado = constante </li></ul><ul><li>El calorímetro es un dispositivo diseñado para aislar un sistema del ambiente. </li></ul>
  41. 42. Cambio de estado de una substancia <ul><li>Estados de la materia: </li></ul><ul><ul><li>Sólido </li></ul></ul><ul><ul><li>Líquido </li></ul></ul><ul><ul><li>Gaseoso </li></ul></ul><ul><ul><li>plasma </li></ul></ul><ul><li>Procesos de cambio de estado </li></ul><ul><ul><li>Evaporación </li></ul></ul><ul><ul><li>Congelación </li></ul></ul><ul><ul><li>Condensación </li></ul></ul><ul><ul><li>Sublimación </li></ul></ul>
  42. 43. <ul><li>Si consideramos un sistema compuesto por dos bloques de metal A y B: </li></ul><ul><li>Energía del sistema = constante </li></ul><ul><li>E A + E B = constante </li></ul><ul><li>E iA + E iB = E fA + E fB </li></ul><ul><li>(E fA – E iA ) + (E fB – E iB ) = 0 </li></ul><ul><li> E A +  E B = 0 </li></ul><ul><li> E A = -  E B La energía se conserva </li></ul>12:9 La Conservación y la Transferencia de Calor cont . . .
  43. 44. <ul><li>El cambio en energía termal es igual al calor transferido: </li></ul><ul><li> E = Q = mc  T </li></ul><ul><li>entonces: </li></ul><ul><li> E A = Q A = m A c A  T A </li></ul><ul><li> E B = Q B = m B c B  T B </li></ul><ul><li> E A +  E B = 0 sustituir </li></ul><ul><li> m A c A  T A + m B c B  T B = 0 </li></ul><ul><li> T = T f – T i </li></ul><ul><li>T f = T fA = T fB </li></ul><ul><li>T f = (m A c A T iA + m B c B T iB )/(m A c A + m B c B ) </li></ul>Conservación y la Transferencia de Calor cont . . .
  44. 45. Ejemplo de conservación de energía <ul><li>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? </li></ul>
  45. 46. Contestación <ul><li>m A =0.8kg m B =0.05 kg </li></ul><ul><li>t iA =25°C  t=125 °C </li></ul><ul><li>t iB = 150 °C t fAB =? </li></ul><ul><li>T f = (m A c A T iA + m B c B T iB )/(m A c A + m B c B ) sustituir valores </li></ul><ul><li>299K </li></ul><ul><li>26°C </li></ul>
  46. 47. Gráfica de cambio de estado
  47. 48. Calor de fusión <ul><li>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. </li></ul>
  48. 49. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>Calor de fusión – es la cantidad de energía necesaria para derretir una cantidad de masa de una sustancia. (H f ) </li></ul>12:10 Los cambios de estado cont . . .
  49. 50. Calor de vaporización <ul><li>Temperatura de ebullición – temperatura a la cual una sustancia cambia de su estado líquido a vapor </li></ul><ul><li>Calor de vaporización – es la cantidad de energía termal requerida para vaporizar una unidad de masa de una sustancia. (H v ) </li></ul>
  50. 51. 12:10 Los cambios de estado cont . . .
  51. 52. <ul><li>El calor que se requiere para derretir una masa de un sólido: </li></ul><ul><li>Q f = mH f </li></ul><ul><li>Calor requerido para evaporar una masa de líquido: </li></ul><ul><li>Q v = mH v </li></ul>12:10 Los cambios de estado cont . . .
  52. 53. Ejemplo calor de fusión: <ul><li>¿Cuánto calor se requiere para derretir 5 kg de hielo a 273K inicialmente? </li></ul>
  53. 54. Contestación <ul><li>m=5kg </li></ul><ul><li>t=273K </li></ul><ul><li>H f =3.34X10 5 J/kg </li></ul><ul><li>Q f =? </li></ul><ul><li>Q f =mH f = (5kg) (3.34 X10 5 J/kg) </li></ul><ul><li>Q f = 1.67 X 10 6 J </li></ul>
  54. 55. Ejemplo calor de vaporización: <ul><li>Una muestra de 300g de agua se encuentra a 100 °C. ¿Cuánto calor será requerido para vaporizarla completamente? </li></ul>
  55. 56. Contestación <ul><li>M= 300 g </li></ul><ul><li>T= 100 °C </li></ul><ul><li>Q v = ? </li></ul><ul><li>Q v = m H v </li></ul><ul><li>H v = 2.26 X 10 6 J/kg </li></ul><ul><li>Q v = (0.3kg) (2.26 X10 6 J/kg) </li></ul><ul><li>Q v =6.78 X10 5 J </li></ul>
  56. 57. Ejemplo cambio de estado: <ul><li>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? </li></ul>
  57. 58. Contestación <ul><li>Ebullición vaporización </li></ul><ul><li>M= 150g m= 150g </li></ul><ul><li>Ti=50 °C Ti=100 °C </li></ul><ul><li>Tf=100 °C Tf= 130 °C </li></ul><ul><li>cA=4180 j/kgK </li></ul><ul><li>Hv=2.26 X10 6 J </li></ul><ul><li>Dividir la solución en 2 partes </li></ul><ul><li>para luego sumarlas: </li></ul><ul><li>Q T =Q L + Q v + Q g </li></ul><ul><li>Q L =mc  T </li></ul><ul><li>(0.15kg)(4180J/kgK)(50K) </li></ul><ul><li>Q L = 31,350 J </li></ul><ul><li>Q v = m H v </li></ul><ul><li>= (0.15 kg)(2.26X10 6 J/kgK </li></ul><ul><li>=339,000J=3.39 X10 5 J </li></ul><ul><li>Q g =mc  T </li></ul><ul><li>(0.15kg)(2020J/kgK)(30K) </li></ul><ul><li>Q g = 9090J </li></ul><ul><li>Q T =Q L + Q v + Q g </li></ul><ul><li>=31,350J+339,000J+9090J </li></ul><ul><li>3.79 X10 5 J </li></ul><ul><li>3.8 X10 5 J </li></ul>
  58. 59. Problemas asignados <ul><li>Examen miércoles, 13 de marzo de 2002 </li></ul><ul><li>Problemas impares 1 al 27 hasta la página 211 </li></ul><ul><li>Problemas A y B Todos </li></ul>

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