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Tema - El Calor y la Temperatura

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Definición de calor y temperatura. Calores específicos y calores latentes. Propagación de calor. Problemas propuestos y resueltos.

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Tema - El Calor y la Temperatura

  1. 1. Tema EL CALOR Y LA TEMPERATURA Prof.- Juan Sanmartín – Física Recursos subvencionados por el…
  2. 2. INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el calor y el trabajo.  Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico.  Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora. El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el calor y el trabajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj = 1000 j). En el caso del calor también se utiliza calorías (1 caloría= 4,18 J)
  3. 3. EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA  Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas. Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el equilibrio térmico.  El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc…  La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución (contracción). T1 T2 T1 T2 T1 > T2 T1 = T2 Q
  4. 4. CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO Calor y temperatura son conceptos diferente. El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que está a mayor temperatura, a otro que está a menor. La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo o un sistema. Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas. La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la temperatura de ebullición del agua.
  5. 5. DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía en transito y se mide en julios. La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se mide en kelvin, o en grados centígrados. El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas. Escalas termométricas:  Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100.  Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La escala se divide en 180 partes iguales.  Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde aproximadamente con – 273 ºC. La unidad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K)
  6. 6. ESCALAS TERMOMÉTRICAS Kelvin Grado Centígrado Grado Farenheit
  7. 7. Temperaturas (Unidades) ºC ºF K -273ºC -459,4ºF 0 K 100unidades 100unidades 180unidades 0ºC 32ºF 273 K 373 K100ºC 212ºF En el gráfico vemos las tres escalas de temperatura. La ESCALA CENTÍGRADA toma como referencia las temperaturas de fusión y evaporación del agua en Condiciones normales y les asigna 0ºC a la de fusión y 100ºC a la de evaporación. Entre ellas existirán 100 unidades. La ESCALA FARENHEIT asigna a los anteriores valores 32ºF y 212ºF respectivamente y por lo tanto tendremos 180 unidades entre ambas temperaturas. La ESCALA ABSOLUTA O KELVIN esta basada en los problemas de valores negativos en las ecuaciones de gases y por lo tanto se busco el 0 absoluto manteniendo la escala de la CENTIGRADA que coincide con los - 273ºC de esta.
  8. 8. Transformaciones KC º De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G. Centígrados 273 unidades. ¡OJO! GRADOS CENTÍGRADOS, GRADOS FARENHEIT Y KELVIN, NO GRADOS KELVIN. 273º  CK Ejemplo KCK KC KCK KC 139273º134 º134 276273º23 º23     73ºC273200KºC ºC200K 137ºC273410KºC ºC410K    
  9. 9. Transformaciones FC ºº  La transformación se complica al tener diferente escala. Tenemos que aplicar las siguientes formulas:   180 32º100 º   F C Ejemplo       12,2ºC 180 3254100 180 32ºF100 ºC ºC54ºF 29,2ºF32 100 18034 32 100 180ºC ºF ºF34ºC 77ºF32 100 18025 32 100 180ºC ºF ºF25ºC                   32 100 180ºC ºF   
  10. 10. Transformaciones KF º En este caso tenemos que pasar por Grados Centígrados para la tranformación.   180 32º100 º   F C Ejemplo     ºF32 100 180 32 100 180ºC ºFCkC CK KCKºC 180 32100 180 32ºF100 ºC KF ºF32 100 180 32 100 180ºC ºFCkC ºFk 77 25 º25273298º º298 6,248273º4,244,24 12 º12 6,80 27 º27273300º 300                   32 100 180ºC ºF    273º  CK
  11. 11. CALOR ESPECÍFICO  No todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, las mismas cantidades de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del tipo de partícula que la compone y de cómo se encuentran unidas. Así, para elevar 1 kelvin la temperatura de un kilogramo de hierro se necesitan 458 Julios, mientras que 1 kilogramo de alcohol requiere de 2450 Julios (estas cantidades se desprenden cuando la temperatura disminuye 1 kelvin). En base a esta propiedad característica de cada sustancia, definimos el calor específico Ce.  Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía (Q) que hay que proporcionar a 1 kg. de esta para elevar su temperatura 1 kelvin. Esto se expresa de la siguiente manera  Siendo la variación de temperatura, la temperatura final (o de equilibrio) de la sustancia menos la inicial Tm Q CC eespecifico   sustancia inicialfinal TTT 
  12. 12. CALORES ESPECÍFICOS 12 Sustancia Calor específico Agua (líquida) 4180 Hielo (Agua sólida) 2090 Vapor de agua 2090 Alcohol 2450 Aluminio 899 Hierro 452 Cobre 385 Mercurio 138 Plata 234 Plomo 130 Oro 130 TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS DE DIFERENTES SUSTANCIAS. Las unidades son: KelvinKilogramo Julios  KKg J 
  13. 13. CALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICA 13 Por lo tanto, la energía (Q) necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo calor específico es Ce , del una temperatura inicial (Tinicial o T0) hasta una temperatura final o de equilibrio (Tf ), viene dada por la siguiente expresión.  inicialfinalesustancia TTCmQ sustancia  De lo que podemos deducir que: Si Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor temperatura y esta se eleva. Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta se reduce.
  14. 14. Q Si Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor temperatura y esta se eleva. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en un horno que aumentan su temperatura al recibir el calor de este. Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta se reduce. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en la nevera que disminuyen su temperatura al recibir el calor de este.
  15. 15. PROBLEMAS DE CALOR Intercambio de calor En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema Fuente.- blogs.20minutos.es
  16. 16. Problema.- Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 50 litros de agua cuyas temperaturas iniciales son 80ºC y 200C respectivamente.     0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2  OO friaOcalienteO KKg JC KCT kgmlV e OHcalienteOH     4180 353.º80 .10.10 0 )( 22 KKg JC KCT kgmlV e OHfriaOH     4180 293.º20 .50.50 0 )( 22 0QQ )()( 22  friaOHcalienteOH Buscamos la temperatura final o de equilibrio La energía (Q) que cede el agua caliente, la absorbe el agua fría y por lo tanto la suma de ambas es cero. Tengamos en cuenta que consideramos un sistema adiabático donde no hay perdidas de calor al exterior.
  17. 17. 0612370002090001475540041800  ff TT 612370001475540020900041800  ff TT     0293418050353418010      ff T KKg JkgT KKg Jkg Sustituimos los datos… Operamos… Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado CKTf º30303 20900041800 6123700014755400    
  18. 18. Problema.- En un calorímetro que contiene 400 g de agua se introduce un trozo de metal de 500 g. a una temperatura de 80ºC. La temperatura inicial del agua es de 10 ºC y la de equilibrio de la mezcla, 12 ºC. Calcula el calor especifico del metal. Se supone que el calorímetro no absorbe calor.     0TTCmTTCm inicialfinaleHinicialfinalemetal 2H2metal  OO ? 353.º80 .5,0500 0 metal    metaleC KCT kggm KKg JC KCT kggm OHe OH     4180 283.º10 .4,0.400 )( 0 2 2 0QQ 2Hmetal  O Buscamos el calor específico del metal KCTT fequilibrio 285.º12 
  19. 19. 0334434  metaleC Sustituimos los datos… Operamos… Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado     028328541804,03532855,0  metaleC metaleC 343344 KKg JC metale   3,98 34 3344
  20. 20. Problema.- Una bañera contiene 50 litros de agua a 25 ºC. ¿Cuánto tiempo será preciso abrir el grifo de agua caliente para que la temperatura final del agua sea 40 ºC?. Temperatura del agua caliente: 80 ºC.; Caudal del grifo: 5 l/min.     0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2  OO friaOcalienteO KKg JC KCT m e OH     4180 353.º80 .? 0 2 KKg JC KCT kgmlV e OHfriaOH     4180 298.º25 .50.50 0 )( 22 0QQ )()( 22  friaOHcalienteOH Buscamos la masa de agua que tendremos que añadir a 80º C. KCTT fequilibrio 313.º40 
  21. 21. 03135000167200 2  OHm Sustituimos los datos… Operamos… Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado     02983134180503533134180)(2      KKg Jkg KKg Jm calienteOH .75,1875,18 167200 3135000 2 lKgm OH  .45.min3min75,3 .min 5 .75,18 s l l q V t t V q  min 5 )( )( )( lq tiempot volumenV caudalq 
  22. 22. CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante. Gas Líquido Sólido Sublimación inversa Sublimación Evaporación Condensación Fusión Solidificación CesióndeEnergíaTérmica AbsorcióndeEnergíaTérmica
  23. 23. CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA Mientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes cantidades de energía a la sustancia sin que varíe la temperatura. Esto lo explica la Teoría Cinético Molecular T.C.M., la temperatura aumenta porque aumenta la energía cinética media de las partículas que forman una sustancia.. En el caso de un sólido la temperatura aumentará con el aumento de esta energía cinética, pero al llegar al punto de fusión, los enlaces entre las partículas han de romperse, las partículas necesitan suficiente energía para vencer las fuerzas atractivas que mantenían unido a la sustancia en su estado sólido, sin que suponga un aumento de la agitación térmica y por lo tanto la Temperatura permanece constante. En el caso del punto de ebullición, las partículas que en estado líquido aún conservan enlaces que las mantienen unidas, deben romper estos enlaces para conseguir el estado gaseoso sin que aumente la energía cinética media y por lo tanto su temperatura. Definimos calor latente de fusión Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado sólido a estado líquido o viceversa (en este caso este calor será negativo).Permaneciendo la temperatura constante. Definimos calor latente de vaporización Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado líquido a estado gaseoso o viceversa (en este caso este calor será negativo).Permaneciendo la temperatura constante.
  24. 24. CALORES LATENTES (kJ/kg.) Estos calores latentes están expresados en kilojulios por kilogramo. La energía térmica o calor (Q) en este caso no depende de la temperatura, y por lo tanto viene dada por la siguiente expresión: Sustancia Lf Lv Agua 334,4 2257 Etanol 109 840 Mercurio 11,3 296 Plomo 24,7 858 Zinc 102 1768 f/vLmQ  En el caso de que el cambio de estado sea de sólido a liquido (fusión) o viceversa (solidificación) obtendremos la siguientes expresiones  fónsolificaci ffusión LmQ LmQ   En el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversa (condensación) obtendremos la siguientes expresiones  vóncondensaci vónvaporizaci LmQ LmQ  
  25. 25. PROBLEMAS DE CALOR Cambios de estado En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema Fuente.- blogs.20minutos.es
  26. 26. Problema.- Si tengo 4l. de agua que acaban de hervir. ¿Qué cantidad de calor le tengo que extraer para convertirla en hielo a –18ºC? C)18º(OHC)(0ºOH C)(0ºOHC)(100ºOH sólido2 Q sólido2 Q Q líquido2 Q líquido2 32 21   Debemos considerar todas las etapas que suceden en el proceso, ya que cada una tiene una energía térmica diferente. La temperatura siempre en Kelvin, entonces… 55K)2(OH(273K)OH (273K)OH(373K)OH sólido2 Q sólido2 Q Q líquido2 Q líquido2 32 21   Una vez que tenemos definidas las etapas, procedemos a calcular el calor (Q) en cada una de ellas, las suma de todas nos dará la energía del proceso.
  27. 27.       JK Kkg JkgTTCmQ fhieloeOH 1504802732552090403 2    Calculamos los calores de cada etapa utilizando los calores específicos y latentes de las tablas. En el caso de los calores latentes hemos de cambiarlos signos. Sumamos los calores para obtener la energía final 321TOTAL QQQQ  EL SIGNO NEGATIVO SIGNIFICA QUE TENEMOS QUE EXTRAER CALOR       JK Kkg JkgTTCmQ faguaeOH líquida 16720003732734180401 2      J kg JkgLmQ fOHciónsolidifica 1337600334400422  J1600803150480J1337600J1672000JQTOTAL 
  28. 28. PROPAGACIÓN DEL CALOR El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación. La conducción del calor se produce preferentemente cuando la energía se transmite a través de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmiten esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo. Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantes del calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin embargo la madera, el plástico o el aire no son buenos conductores, son aislantes. Convección Conducción Radiación
  29. 29. PROPAGACION DEL CALOR La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que irradian las estrellas.
  30. 30. PROPAGACION DEL CALOR La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas mas frías. Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el líquido de un recipiente, etc…
  31. 31. Fin Busca enlaces a otras páginas relacionadas con el tema en… www.juansanmartin.net

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