Calor y temperatura

Escalas termométricas

1 Escala Celcius (ºC), también llamada escala centígrada

Punto superior (100ºC) ebullición del agua

Punto inferior (0ºC) solidificación del agua

2 Escala Farenheit (ºF)Punto superior (96ºF) temperatura cuerpo humano

Punto inferior (0ºF) solidificación de agua con sal

3 Escala Kelvin (K), escala absoluta

Relación entre las escalas

• TF= 32 + 9/5 TC

• TC= 5/9(TF – 32)

• TK=273 + TC

Dilatación térmica

Cuando una sustancia cambia su temperatura experimenta una dilatación (o contracción), la cual puede ser:

• Dilatación lineal: L =LoT (coeficiente de dilatación lineal)

• Dilatación superficial:

A =AoT (coeficiente de dilatación superficial)

• Dilatación volumetrica:

V =VoT (coeficiente de dilatación volumétrico)

Coeficientes de dilataciónSustancia Coef. de dilatación

lineal

(1/ºC) x10-5

Aluminio 1,3

Latón 1,0

Cobre 0,94

Vidrio Pyrex 0,17

Hierro 0,66

Plomo 1,7

Plata 1,1

líquido Coef. de dilatación volumétrico

(1/ºC) x10-4

Alcohol etílico

11

Benceno 12,4

Glicerina 5,1

Mercurio 1,8

Agua 2,1

Para los sólidos =2 y =3

ejemplo

1.- Un alambre de cobre tiene una longitud de 25 m cuando la temperatura es de 18ºC. ¿Cual será su longitud si se calienta hasta alcanzar los 560ºC? (cobre=0,94x10-5 ºC-1)

2.- Encuentre la superficie de un orificio circular practicado en una placa de aluminio si tiene un radio de 3,00 cm cuando la temperatura es de 23ºC y se calienta hasta los 250 ºC (aluminio=1,30x10-5 ºC-1)

Energía calórica (Q)

• Representa la energía interna que posee una sustancia

• Se entiende como la energía cinética y potencial a nivel microscópico

• Se mide en calorías (Cal)

1 Cal = 4,186 J

(Btu=252 Cal)

Erroneamente se asocia al nivel de caliente o frío de una sustancia

Energía calórica (Q)

• Depende: * de la masa del cuerpo (m)

* de la variación de temperatura (T)

* de cada sustancia (constante característica

llamada calor específico) (c)

Q=mcT

Al producto mc se le llama capacidad calórica C=mc

Calores específicosSustancia c (cal/g ºC)

Aluminio 0,22

Plomo 0.031

Cobre 0,093

Alcohol etílico 0,60

Vidrio 0,20

Hierro 0,113

Mercurio 0,033

Agua 1,0

Hielo 0,5

Vapor 0,48

• Cuando dos sustancias a distinta temperaturas se mezclan, alcanzan un “equilibrio térmico”(tienen igual temperatura)

• Si el sistema es cerrado, se cumple

Q1+ Q2 = 0

Si existen N sustancias Q1+ Q2 + Q3+... + QN = 0

Es decir, la energía que pierden unas es igual a la que ganan otras

Energía calórica (Q)

Calor latente

• Cuando la temperatura alcanza un valor crítico, la sustancia experimenta un cambio de estado, el cual se caracteriza porque la sustancia gana o pierde energía sin variar su temperatura.

• En este caso Q=ml• l=calor latente de vaporización (líquido gas)

• l=calor latente de fusión (líquido sólido)Para el agualvap=540 Cal/glfusion=80 Cal/g

ejemplo

Una masa de hielo de 200 g a una temperatura de -8ºC, se funde y se evapora hasta alcanzar los 120ºC. Determine:

a) la energía necesaria sólo para fundir el hielo

b) La energía necesaria para evaporar el agua

c) La energía total para que se produzca todo el proceso

Transferencia de calor

• La energía calórica se puede transferir desde una región a mayor temperatura a una región de menor temperatura, mediante tres formas; convección, radiación y conducción

Convección• Convección; la energía es transportada por movimiento

real de un fluido que se desplaza desde una región caliente a una región fría.

H=Q/t H=hATH=flujo de calorA= área de la superficie calienteh=coeficiente de convecciónT=variación de temperatura entre la superficie y el medio que la rodea

Geometría h (cal/cm2 s ºC)

Superficie vertical 4,24x10-5 T1/4

Superficie horizontal cara arriba

5,95x10-5 T1/4

Superficie horizontal cara abajo

3,14x10-5 T1/4

Radiación

• La energía es transportada por Ondas Electromagnéticas, que viajan incluso en el vacío

R=eT4

R=energía radiada

e=emisividad de la superficie (0<e<1)

=constante de Stefan (=5,67x10-8 W/ m2 K4

T4=temperatura absoluta del cuerpo

Radiación Neta R=eT4interna

- T4externa)

Conducción

• La energía calórica es conducida a través de un cuerpo

H=Q/t H=kA/dH=flujo de calork=conductividad térmicaA= área de la superficie caliented=espesor del cuerpoT=variación de temperatura entre las superficies

Conductividad térmicaSustancia K(cal/ cm s ºC)

Aluminio O,5

Cobre 0,26

Ladrillo 1,7x10-3

Corcho 1,0x10-4

Vidrio 1,9x10-3

Madera 1,3x10-4

Aire 5,7x10-5

Agua 1,4x10-3

ejemplos

1.- Encuentre la cantidad de energía que atraviesa una ventana de 70x50 cm2, si el vidrio es de 0,5 cm de espesor, la temperatura interna es de 23ºC y la temperatura externa es de 8ºC.

2.- Considere el cuerpo humano como un cilindro de 1,8 m2 de superficie, con una temperatura interna de 37ºC y 34ºC en la piel. Su conductividad térmica es aproximadamente 0,121 Cal/(cm s ºC) en un tramo de 3 cm. Determine la pérdida de energía, por conducción, por convección y radiación, si e=0,993.