Liceo Bicentenario de Viña del Mar Termodinámica 2020 Profesora Paula L. Durán Ávila ( paula.duran.a@gmail.com )

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Guía 3: Transferencia de Calor

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Curso: 4to año medio B

Objetivos: Comprender, aplicar y comparar los conceptos asociados con la temperatura y el calor relacionándolos con la energía interna de los cuerpos y las formas de medición. Contenido PSU: ENERGÍA

□ conceptos, teorías, leyes y marcos conceptuales referentes a calor y temperatura: o conducción, convección y radiación térmica, en términos cualitativos.

Instrucciones La siguiente guía tiene como objetivo revisar los conocimientos adquiridos en 2do año medio con

respecto a la Temperatura y el Calor y así repasar una parte de los contenidos de la PSU.

Debes ir leyendo cada uno de los párrafos e ir contestando las preguntas que van a apareciendo en la guía. Puedes contestar en la misma guía o en un documento aparte.

Este trabajo, NO posee nota, solo llevará una categorización de: Logrado (L), Medianamente Logrado (ML) y No Logrado (NL). Lo que a futuro se puede transformar en una bonificación a alguna evaluación.

Debes enviármelo para poder corregirlo y poder retroalimentar tu aprendizaje al correo paula.duran.a@gmail.com

Tendrás 3 semanas de plazo para entregarlo, pero lo más importante es que lo hagas a tu ritmo. Cuando lo termines me lo envías, incluso si se haya pasado el plazo.

Extraído de: Física 2° Medio (2010), editorial SM, Santiago de Chile El equivalente mecánico del calor Identificación de marcos conceptuales, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones.

En el siglo XIX, James Prescott Joule tuvo la sospecha de que el calor era una forma de energía como cualquier otra y planteó la hipótesis de que el calor tendría su equivalente con la energía mecánica, es decir, que existiría una equivalencia entre el calor y la energía mecánica. Pero comprobar esta hipótesis no era un trabajo fácil: en primer lugar, Joule debió probar que la energía mecánica podía transformarse en calor y viceversa y, en segundo lugar, debía encontrar la equivalencia matemática entre la caloría y unidades de energía mecánica para probar definitivamente que el calor era otra forma de energía. Para saber si su hipótesis era válida, Joule tuvo que idear un experimento, que publicó en 1845. Esto era todo un reto en ese tiempo, pues debía cumplir con dos requisitos: Transformar la energía calórica en energía mecánica (o al revés). Además, debía permitir medir con precisión las cantidades de calor y de energía mecánica involucradas en el problema.

El primer requisito era factible de lograr, es decir, era posible transformar la energía mecánica en calor; un ejemplo de ello era simplemente frotar las manos. Sin embargo, el segundo requisito presentaba una tarea mucho más difícil. Finalmente, Joule ideó un diseño experimental como el que se muestra en la imagen.

Temperatura: medición de la agitación de las partículas de una sustancia o cuerpo.

Calor: energía en transito entre cuerpos a diferentes temperaturas.

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El experimento consistía en atar una masa a una cuerda, de forma tal que al subir o bajar las masas, las paletas agitaran el agua dentro de un recipiente aislado. Así, consideró que la energía se conservaba y la energía cinética de la agitación del agua se transformaba en calor y, por lo tanto, se observaba un aumento en la temperatura del agua del recipiente. Para realizar el experimento, Joule debía registrar los siguientes datos:

La masa del cuerpo que colgaba. La distancia que recorría el cuerpo al caer. La temperatura inicial del agua. La temperatura final del agua. La masa de agua contenida en el recipiente.

Cuando las masas laterales caen libremente, la energía se emplea en mover una serie de paletas que hay en el interior del recipiente. Así, se genera un movimiento del agua que aumenta la temperatura registrada por un termómetro. Con estos datos, se podría calcular la energía mecánica inicial y final del cuerpo y, con su diferencia, conjeturar cuánta energía mecánica se había convertido en calor. Además, con los datos de temperatura y masa del agua, se podría calcular la cantidad de calorías que se utilizaron para variar su temperatura. A pesar de que no se conocen los datos exactos del resultado del experimento de Joule, se pueden emular fácilmente. Imagina que al desarrollar el experimento de Joule has logrado registrar los siguientes resultados en el experimento:

Energía mecánica inicial del cuerpo: 500 J Energía mecánica final del cuerpo: 82 J Masa de agua contenida en el recipiente: 20 g Temperatura inicial del recipiente: 20°C Temperatura final del recipiente: 25°C

Para utilizar los datos, lo primero que se debe hacer es calcular cuántas calorías se necesitaron para provocar la variación de temperatura del agua. Así, la variación de temperatura del agua fue de:

ΔT = 25°C – 20°C = 5°C Si se necesita 1 caloría para aumentar en 1 grado centígrado la temperatura de un gramo de agua, entonces, ¿cuántas calorías se necesitan para aumentar en 5°C la temperatura de 20 g de agua? Si se necesitan 5 calorías para aumentar en 5°C la temperatura de 1g de agua, entonces para aumentar en 5°C la temperatura de 20 g de agua, se necesitan:

5 cal/g x 20 g = 100 cal Por lo tanto, se utilizan 100 cal para aumentar la temperatura del agua. Además, se sabe que la variación de energía mecánica del cuerpo fue de:

500 J – 82 J = 418 J Y, de acuerdo con la hipótesis de Joule, la variación de energía mecánica del cuerpo debe ser igual a la cantidad de calor utilizada en aumentar la temperatura del agua. Por lo tanto:

100 cal = 418 J ⇔ 1 cal = 4,18 J En consecuencia, 4,18 J equivalen a 1 caloría, y con esto se ha encontrado el equivalente mecánico del calor. Actividad 1. Responda las siguientes preguntas a partir de la lectura anterior.

1. ¿Era correcta la hipótesis de Joule?

2. ¿Qué importancia tiene el diseño experimental de Joule para encontrar el equivalente mecánico del

calor?

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3. ¿Qué conclusiones puedes extraer de los resultados del experimento y su interpretación?

4. ¿A cuántas calorías equivalen 0 J?

5. ¿A cuántos joules equivalen 0 cal?

6. Así como se puede medir la energía térmica en joules, ¿se puede medir la energía mecánica en calorías?

7. ¿Cuántas calorías se necesitan para aumentar en 5 ºC la temperatura de g de agua?

8. Un refrigerador es un sistema que se mantiene a una temperatura baja gracias a un motor que usa un

condensador cuya función es transformar cierto gas en líquido. Cuando se introducen alimentos o bebidas al refrigerador, pierden calor al cederlo; el líquido absorbe ese calor y se evapora. Supón que colocas una sandía de 5 kg a temperatura ambiente de 20 ºC, y que quieres enfriarla hasta los 5 ºC. ¿Cuánta energía debe extraerse del refrigerador para lograrlo, si consideras que la sandía contiene 92% de agua?

Transferencia de calor por conducción El calor es energía térmica en tránsito, pero ¿a través de qué métodos puede transportarse de un cuerpo a otro? Existen tres formas de intercambio de calor: la conducción, la radiación y la convección. La conducción se produce cuando dos cuerpos de temperaturas diferentes entran en contacto. En este caso, el cuerpo de mayor temperatura cederá calor al cuerpo de menor temperatura. Cuando dos cuerpos entran en contacto, las partículas de uno y otro colisionan entre sí a través de la superficie que los une, pero sin desplazamiento de materia. Las partículas del cuerpo de mayor temperatura colisionan entre ellas y con las paredes del otro cuerpo, y así aumentan las velocidades de las partículas de su símil, lo que implica un aumento de la temperatura en el cuerpo que estaba más frío. Al chocar las partículas de un cuerpo con otro, las energías cinéticas promedio se equiparán. Este proceso continúa hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura. De este modo, se transmite el aumento de temperatura a todo el cuerpo, aunque esa transmisión emplea tiempo. Por ejemplo, si se calienta al fuego el extremo de una barra metálica, se puede sujetar con la mano el otro extremo durante un tiempo, pero después todo el cuerpo habrá aumentado su temperatura, gracias al movimiento de las partículas. Conductores y aislantes térmicos El proceso de conducción de calor, además de darse entre dos cuerpos diferentes, puede presentarse dentro de un mismo cuerpo. Los cuerpos que distribuyen el calor en toda su extensión son llamados conductores térmicos (como los metales); en cambio, otros cuerpos que no permiten una buena conducción del calor son llamados aislantes térmicos (como la madera).

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Actividad 2. Responda las siguientes preguntas a partir de la lectura anterior.

1. Si un cuerpo A con una temperatura de 60 ºC se pone en contacto con otro cuerpo B a 40 ºC, ¿cuál de los dos cuerpos cede calor y cuál lo recibe? Explica.

2. Explica con tus palabras en qué consiste la transferencia de calor por contacto.

3. Menciona tres ejemplos de la vida diaria en donde esté presente la transferencia de calor por contacto.

4. Explica por qué los aislantes térmicos sirven para mantener regulada la temperatura de una habitación.

Transferencia de calor por radiación La radiación es otro método de transferencia de calor. Cuando un cuerpo está a una temperatura mayor que la del ambiente en el cual se encuentra, emite ondas electromagnéticas en forma de fotones térmicos. Esto quiere decir que la transferencia de calor puede ocurrir en ausencia de un medio material. Todas las ondas electromagnéticas son responsables de la transferencia de energía por radiación. Por lo tanto, la radiación es la propagación de energía por medio de ondas electromagnéticas que pueden impactar un cuerpo más frío, con lo que aumentan su temperatura. La eficiencia del proceso de radiación cambia de cuerpo en cuerpo. Por ejemplo, los cuerpos de color negro emiten y absorben la radiación de forma más eficiente que los blancos; por esto, cuando usamos ropa negra la sensación térmica del calor es mayor que cuando usamos ropa clara. La radiación es una de las formas más comunes de transferencia de calor. Tiene una incidencia importante en la pérdida de calor de nuestro cuerpo; también es la forma en que el Sol calienta a la Tierra y una fogata entregan calor a su alrededor. La radiación de calor de la Tierra Recién estudiaste que los cuerpos emiten y absorben calor por radiación, ¿sucederá lo mismo a la Tierra? La Tierra se encuentra más caliente que el espacio que la rodea. ¿Esto significa que la Tierra emitirá calor hasta llegar a estar tan fría como el espacio? La respuesta es no. Además de irradiar calor, la Tierra recibe radiación del Sol. Por lo tanto, el calor irradiado y el recibido permiten que la temperatura se mantenga dentro de un rango sustentable para la vida. Esto es posible porque en la atmósfera suceden procesos químicos que regulan la temperatura planetaria, y entre otros está el hecho de que se dificulta la salida de la radiación total incidente. Actividad 3. Responda las siguientes preguntas a partir de la lectura anterior.

1. Menciona tres ejemplos de la vida cotidiana donde veas la transferencia de calor por radiación.

2. De acuerdo a lo que estudiaste en esta página, explica por qué una habitación fría aumenta de

temperatura rápidamente si hay mucha gente dentro de ella.

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3. Desde la antigüedad, los griegos sabían el beneficio de pintar las casas de color blanco para que estén más frescas. Explica las razones físicas de este procedimiento.

4. Explica por qué en los centros urbanos se produce un aumento de la temperatura.}

Transferencia de calor por convección La convección es una forma de transferencia de calor que se da principalmente en los fluidos (líquidos, gases y plasma). Tiene su causa en la dilatación de las sustancias. Cuando se calienta una olla con agua, la que está en el fondo (más cerca del fuego) se calienta primero. Al calentarse, se dilata y disminuye su densidad, razón por la que comienza a subir hasta la parte más alta de la olla. Al hacer esto, desplaza al agua fría que está más arriba, la que se ubica en el fondo de la olla para calentarse nuevamente y repetir este proceso. Esto forma las llamadas corrientes de convección.

Estas corrientes de convección provocan una circulación de fluidos calientes y fríos, movimiento que permite equiparar la temperatura general del fluido. Este método de transferencia de calor es inmensamente importante en líquidos y gases, pues es el principal proceso (a diferencia de los cuerpos sólidos) mediante el cual la temperatura se regula en toda su extensión.

Dicho mismo fenómeno se produce cuando se calienta un ambiente con una estufa. El aire caliente sube y el frío baja. Por esto, muchas habitaciones tienen ventanas en la parte más alta de la muralla: eso permite que el aire caliente que se encuentra en la parte superior de la habitación salga e ingrese aire frío, con lo que la temperatura de la habitación disminuye. La convección en la Tierra Dentro de las capas de la Tierra hay una capa líquida de gran temperatura, en cuyo interior se generan corrientes de convección. Estas corrientes provocan que las capas sólidas de la Tierra que están por encima de dicha capa se muevan, lo que causa el movimiento de las placas tectónicas que provocan los temblores y terremotos. Actividad 4. Responda las siguientes preguntas a partir de la lectura anterior.

1. Una olla con agua se calienta en una cocina. ¿Qué métodos de transferencia de calor se observan en esta situación? Explica.

2. Menciona un ejemplo en el que en la misma situación se observen los tres métodos de transferencia de

calor.

3. Explica por qué la convección no puede darse en un cuerpo sólido.

4. Explica el porqué de las siguientes situaciones:

a. Las personas se abanican para refrescarse. b. El uso del ventilador en un día caluroso. c. Se sopla una cuchara con sopa caliente. d. Se revuelve con una cuchara una taza de café caliente.

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Actividad 5. Marca la alternativa que consideres correcta.

1. ¿Cuál es el concepto que debe ubicarse en el espacio en blanco en la siguiente afirmación? “_______ de un cuerpo es mayor, mientras mayor es la velocidad media de las partículas que componen el cuerpo”.

a. El calor. b. La masa. c. La presión. d. El volumen. e. La temperatura.

2. 2 ¿En qué se diferencian las escalas térmicas de Celsius y de Fahrenheit de la escala Kelvin?

a. Son más recientes. b. La escala Kelvin no toma valores negativos. c. No consideran el movimiento de las partículas. d. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit no toman valores negativos. e. Celsius y Fahrenheit son medidas de calor, mientras que la de Kelvin es de temperatura.

3. ¿Cuál es la equivalencia en las escalas Kelvin y de Fahrenheit, el 0 ºC, respectivamente?

a. 0 K y 0 ºF b. 273 K y 32 ºF c. –273 K y 32 ºF d. 273 K y –32 ºF e. –273 K y –32 ºF

4. ¿A qué se debe que se hable de un volumen aparente en la dilatación de los líquidos, si la variación

observada, a simple vista, no corresponde a la dilatación real? a. El líquido se dilata muy poco. b. El líquido se dilata muy lentamente. c. A que es difícil medir el volumen de un líquido. d. El recipiente que contiene el líquido también se dilata. e. El líquido puede dilatarse mucho y rebalsar el recipiente que lo contiene.

5. ¿Cuál(es) de las siguientes afirmaciones es(son) verdadera(s)? I. El calor se puede medir en joules. II. El calor se puede medir en kelvin. III. El calor se puede medir en calorías.

a. Solo I b. Solo II c. Solo III d. Solo I y II e. Solo I y III

6. ¿A través de qué forma llega la energía del Sol según la imagen?

a. Radiación. b. Convección. c. Conducción. d. Radiación y convección. e. Radiación y conducción.

7. ¿En qué estado(s) puede darse la transmisión de calor por convección?

a. En líquidos y gases. b. En sólidos y líquidos. c. Únicamente en gases. d. Únicamente en sólidos. e. Únicamente en líquidos.

8. ¿Cuál es el principal mecanismo de transmisión de la energía en que se fundamenta la construcción de

un termómetro? a. Radiación. b. Dilatación. c. Elasticidad. d. Convección. e. Conducción.