Calor

Definiciones y applets

Temas

• Calor y Temperatura. • Capacidad calorífica. • Transferencia de calor. • Cambios de fase • Mantenimiento de la temperatura corporal. • Primera y segunda ley de la termodinámica. • Exposición a temperaturas extremas (lectura)

CALOR

• ¿Como se aumenta la temperatura de un sistema? – En contacto con otro de temperatura superior

• Calor es la energía transferida entre un sistema y su entorno, debida

únicamente a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y alguna parte de su entorno

– Existen otras formas de transmisión de energía

• Diferentes mecanismos de transmisión del calor – Conducción – Convección – Radiación

• Calor, término utilizado para designar la energía que se transfiere

• No se puede hablar de calor de un sistema

Medida de Temperatura y escalas termométricas: Dilatación térmica

Dilatación anómala del agua

ρ máxima a 4ºC volumen mínimo

Al aumentar T aumenta la longitud de una varilla ♦∆L=αL0∆T ♦α es el coeficiente de dilatación lineal (1/K) ♦Es independiente de L0, pero depende de T

♦Coeficiente de dilatación en volumen

♦ ∆V=βV0∆T

♦Como una ampliación fotográfica

Explicación microscópica

dTdL

LTLL

lim T1

0 =∆

∆

= →∆α

dTdV

VTVV

lim T1

0 =∆

∆

= →∆β

αβ 3=

Calor y Temperatura.

La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema.

La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.

El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica.

Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema.

La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.

La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63ºF a 64ºF.

En el sistema SI la unidad de calor es la unidad de energía, es decir, el Joule. Unidades de calor

Unidades de calor

Termómetro de gas a volumen constante.

–Se mide la presión en los dos casos

–Hay que fijar una referencia: punto triple( coincide en equilibrio las tres fases del agua)

–T3= 273,16 K (igual tamaño 1K = 1ºC)

Medida de Temperatura y escalas termométricas

• Descripción subjetiva: Sin significado consistente – Caliente – Frío

• Medida: Termómetro dispositivo capaz de conectar el valor de una de sus variables con la Temperatura.

– T. de mercurio (longitud) – Termopar (Potencial eléctrico) – Resistencia de Platino. (Resistencia)

A

B

A

B

pp

TT

=

333 16,273

ppKT

pp

TT

=⇒=

Escalas de temperatura

• Termómetro: material que posea una propiedad termométrica: – Cambie con la temperatura. – Se puede medir fácilmente.

• Escala Celsius – 0º Cpunto congelación agua a 1 atm. – 100º Cpunto ebullición agua a 1 atm.

• Escala Farenheit – 32º Fpunto congelación agua a 1 atm. – 212º Fpunto ebullición agua a 1 atm.

)32(95

−= Fc tt

273.15K cT T= +

Medida de Temperatura y escalas termométricas

• Cuando p tiende a cero, también lo hace T (cero absoluto de temperaturas).

– Gases se licúan, no se pueden medir T<1K, con el termómetro de gas • La medida depende de la cantidad de gas y de la naturaleza del mismo, si

se se extrapola el valor es el mismo.

Gas ideal “gas ficticio cuya dependencia entre la temperatura y la presión es válida para cualquier concentración”

30 16,273lim

3 ppKT p →=

Medida de Temperatura y escalas termométricas

– Centígrados o Celsius • tc = T - 273,16 K

– Rankine • Tm =(2/5)T • igual cero que la escala Kelvin • grado inferior

– Fahrenheit • tF = (2/5) tc + 32ºF • igual tamaño que la escala Rankine • distinto cero que Rankine

• T crece ~ 0.4 °C ~ últimos 100 años • T crece ~ 0.25 °C ~ 25 años • Nivel mar aumenta ~ 1 mm por año

Capacidad calorífica.

• Al adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase)

• La cantidad de energía necesaria para elevar la T de un sistema Q = C ∆T = m c ∆T donde C es la capacidad térmica o calorífica y m la masa del sistema

• Capacidad calorífica “ cantidad de energía necesaria para aumentar un grado la temperatura de una

substancia”

• c = C/m; c calor específico o capacidad térmica por unidad de masa – Puede depender de la temperatura (el del agua aproximadamente 1% de 0-100ºC)

• Caloría: cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado

Celsius (de 14,5º a 15,5ºC) – Unidad de energía 1cal=4.184 J – Btu (British thermal unit) = 252 cal

• Capacidad térmica molar

– Cm=M c (M masa molar o masa por mol) – C=n Cm ( capacidad calorífica de n moles)

MEDIDA DEL CALOR Y CALOR ESPECÍFICO

El calor específico del agua es grande

Excelente capacidad de almacenaje de energía térmica

Excelente refrigerante (capaz de absorber mucho calor)

El calor o energía calorífica siempre se propaga de los cuerpos calientes a los fríos, de tres maneras diferentes: • a) Conducción • b) Convección • c) Radiación.

¿Cómo se transmite el calor? – Conducción: Interacción molecular sin transporte de materia – Convección: Transporte directo de masa (movimiento masas de aire calientes – Radiación: Emisión y absorción radiación electromagnética

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Corriente térmica o flujo de energía térmica I : Velocidad o ritmo de conducción de la energía térmica (wat= joules/s)

•k coeficiente de conductividad térmica (wat/m K)

•Como la resistencia eléctrica

oRt= R1+R2+... (en serie)

o1/Rt=1/R1+1/R2+.....(en paralelo) Calor que sale de una habitación, techo, paredes, ventanas , etc.

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Conducción

∆Τ

∆x

Α

x=L x=0

T=T2

T=T1

equilibrio

inicial

En la construcción se utiliza el factor R (Rf= Dx/k) =RA El Aire buen aislante, R pequeña, pero atención a la convección

a térmicaResistenci→∆

=⇒=∆

=∆

∆∆

=∆∆

=

kAxRIRI

kAxT

xTkA

tQI

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)

Alumínio 4,9 × 10-2

Cobre 9,2 × 10-2

Acero 1,1 × 10-2

Aire 5,7 × 10-6

Hielo 4 × 10-4

Madera 2 × 10-5

Vidrio 2 × 10-4

Amianto 2 × 10-5

Convección

•Aparece en fluidos cuya densidad varía con la T

•Se puede forzar con ventiladores

•Aire es buen aislante (capas finas pegadas al vidrio), si hay grandes volúmenes pierde esta capacidad

•Pequeños volúmenes (plumón, styrofoam)

• Complicado de tratar matemáticamente

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Radiación

•Ondas electromagnéticas

•Ley de Stefan-Boltzmann da la potencia radiada en watt

I = e σ AT4

e emisividad térmica (entre 0 y 1), A área, s constante de Stefan

σ = 5.6703 x 10-8 W/m2 K4

•Radiación absorbida depende del cuerpo (claros reflejan mucha, obscuros absorben mucha), y de la temperatura del entorno T0

Ia = e σ AT04

Ineto = e σ A(T4-T40) •Cuerpo negro: e=1, absorbe toda la radiación que incide sobre él

•Radiador ideal

PROPAGACION DEL CALOR: CONDUCTIVIDAD TERMICA

Radiación

•A temperaturas ordinarias (<600ºC) la mayor parte de la energía radiante está en la zona infrarroja (invisible)

•Al aumentar T se desplaza hacia ondas más cortas (visible)

•Color rojo y blanco

Ley de Newton del enfriamiento

La velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura de un cuerpo y sus alrededores

En situaciones reales los diferentes mecanismos de transferencia térmica, pueden tener distintas efectividades. Una estufa de cuarzo calienta por radiación, una de metal por convección

Ley de Wien λmax= 2.898 mm.K/T

•Se utiliza para medir temperaturas

•Discrepancias entre resultados y teoría: Catástrofe ultravioleta, bases de la Mecánica Cuántica T0, I∞

•Parte de la energía térmica utilizada en calentar una substancia puede invertirse en el proceso de dilatación (realiza trabajo contra su entorno)

–cv calor específico a volumen constante (sin dilatación) –cp calor específico a presión constante –cp >cv en sólidos y líquidos hay poca diferencia en gases muy grande

Calorímetro: aparato para medida del calor ( agua; Qsale=Qentra)

• Cambios de fase: Absorción de calor sin cambio de T –fusión –vaporización –sublimación (bolas antipolillas) –otros (formas cristalinas)

• La energía se invierte en variar la Energía Potencial del sistema • En substancias puras el cambio se da a temperaturas determinadas

–Q = m Lf, v (cantidad de calor precisa para fundir o vaporizar una masa m) –Lf calor latente de fusión –Lv calor latente de vaporización

Vaporización 100 ºC

Fusión 0ºC Tiempo

T ºC

• TermolisisPérdidas cutáneas Conducción Convección Radiación Evaporación Vías respiratorias, piel y jadeo Piel: sudor Calentamiento del aire inspirado Pérdida de calor por heces y orina

• Termogénesis • Ingesta de alimentos

Aumento del metabolismo basal celular Por aumento de la actividad muscular Acción de la hormona tiroidea y la adrenalina Estimulación simpática

En situaciones de estrés la producción de calor se incrementa. El aumento de la conductancia requerido cuando se necesita eliminar calor desde el interior del cuerpo se produce por un incremento del flujo sanguíneo y distensión de la superficie de los vasos. La vasodilatación cutánea es responsable de una hipovolemia relativa que originaría taquicardia. Si hubiera una excesiva producción de sudor sin aporte hídrico, la hipovolemia sería real, resultando también un aumento de la frecuencia, primer mecanismo de adaptación al calor.

El mantenimiento de la temperatura corporal depende del calor producido por la actividad metabólica y el perdido por los mecanismos corporales, así como de las condiciones ambientales.

Cuando se produce un cambio de calor a frío ambiental, los mecanismos de conservación del calor se invierten y reordenan. La temperatura corporal se mantiene gracias a un cambio de agua desde la piel hacia los órganos internos. El descenso concomitante del volumen plasmático proteje al cuerpo de la pérdida de calor, ofreciendo menos calor a las regiones superficiales. Estos cambios son vehiculizados por el sistema nervioso autónomo. Cuando, a pesar de estas restricciones la temperatura corporal tiende a disminuir, se activan otros mecanismos de mantenimiento de la temperatura, tales como la tensión muscular y el temblor o el tiritar.

La producción de calor depende en gran parte de la actividad metabólica de las células musculares. Cuando se tirita de forma intensa, el trabajo muscular puede incrementar el consumo de oxígeno hasta cinco veces. Cuando la exposición al frío es prolongada y severa, cesa el tiritar (hacia los 30ºC de temperatura corporal), y los músculos pierden su tensión, quedando paralizados. La muerte suele acaecer cuando la temperatura rectal cae a 23.5ºC, aunque se han descrito casos de supervivencia con temperaturas inferiores1.

Therme (Calor) – Dynamis (Energía)

forma elegante de relacionar las diversas formas de energía y el modo en que ésta afecta la materia.

VOET VOET. Bioquímica. 3ra Edición. Editorial Panamericana

COMPUESTO POR: •LAS BASES NITROGENADAS •EL AZUCAR PENTOSA •TRES RADICALES DE FOSFATO

Guyton y Hall. Tratado de la FISIOLOGÍA MÉDICA. Decimosegunda Edición

-ley de la conservación de energía -la energía del universo es constante

http://www.google.co.ve/search?q=PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

la razón está al principio de la termodinámica que indica que el calor puede ser útil para realizar trabajo solo si existe una diferencia de temperatura entre el sistema y el ambiente, y nosotros somos isotérmicos internamente.

http://www.google.co.ve/search?q=PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

E1-E2= E=Q-W

DONDE: Q: CALOR ABSORBIDO POR EL SISTEMA W: ES EL TRABAJO REALIZADO POR EL SISTEMA

http://www.google.co.ve/search?q=PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

E VIENE DADA POR LA DIFERENCIA ENTRE CALOR ABSORBIDO Y TRABAJO.

http://www.google.co.ve/search?q=PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

MUERTE POR INANICIÓN, SE AGOTAN LAS RESERVAS DE ENERGÍA.

Bioquímica de Harper. 15ª Edición.

MUERTE POR OBESIDAD ALMACENAMIENTO ELEVADO DE ENERGÍA

Bioquímica de Harper. 15ª Edición

• Variables de estado son constantes en todo el sistema • "Se dice que un sistema está en equilibrio mientras permanezca constante la variable de

estado en el tiempo”

• Pared adiabática:evita interacciones (polistireno)

• Pared diatérmica: facilita la intercomunicación (Cu)

A B

C

A B

Temperatura y Equilibrio Térmico: Principio cero de la Termodinámica.

A B

A B

• “El concepto de temperatura está relacionado con el movimiento aleatorio de las moléculas de un sistema. Un aumento de la energía interna promedio implica un aumento de temperatura.

• "Dos sistemas en equilibrio térmico tienen igual T ". • Si al poner en contacto dos sistemas, sus variables cambian no están en equilibrio; cuando se

estabiliza, habrán alcanzado el equilibrio térmico y tendrán igual T. ⇒ Fundamento para la medida de temperaturas

“Dos sistemas estarán en equilibrio térmico si al ponerlos en contacto a través de una pared diatérmica, sus variables de estado no cambian".

• “Principio cero de la termodinámica "Dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercero están, a su vez, en equilibrio térmico entre si".

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

•Dos tipos de transferencia de energía (convenio de signos en el esquema) •calor

•trabajo

sistema W<0 Q>0

sistema W>0 Q>0

sistema W<0 Q<0

sistema W>0 Q<0

La energía total transferida al sistema desde el exterior será Q -W •La elección del sistema condicionará el tipo de energía transferida. Resulta muy importante una definición adecuada del sistema.

•Calentador eléctrico de agua

Sistema: agua + resistencia ==> trabajo

Sistema: agua ==> calor

El calor y el trabajo realizados al pasar de un estado inicial a otro final dependen

de los detalles del proceso

p

V

i

f Vi Vf

b a

c Wa ≠ Wb ≠ Wc

Qa ≠ Qb ≠ Qc

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Sin embargo la energía total transferida a un sistema solo depende de los estados

inicial y final del proceso.

Qa -Wa = Qb -Wb = Qc -Wc Primera ley de la Termodinámica: En todo proceso en que se cede un calor Q al sistema y este realiza un trabajo W, la energía total transferida a dicho sistema es igual al cambio en su energía interna

Q -W = Uf -Ui = ∆U •Consecuencias de la primera ley

°Conservación de la energía: la energía total transferida es igual a la variación de la energía interna

°La energía interna solo depende de los estados inicial y final

°La energía interna es una variable de estado (cada punto del diagrama pV se caracteriza por un valor determinado), al contrario que el calor y el trabajo

Ti p

V

i f

Vi Vf

Tf Uf

Ui pi

pf

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Aplicaciones Proceso isocórico

∆U = Q - W = Q - 0 = Q

El calor cedido es igual al cambio en la energía interna

Proceso adiabático (dQ = 0)

∆U = Q - W = 0 - W = -W

Aislando el sistema mediante una pared adiabática

Procesos muy rápidos (dQ despreciable) Proceso isobárico

∆U = Q - W

Ambos tipos de transferencia de energía Expansión libre

pi, Vi

Ti, Ui vacío pf, Vf, ,Tf, Uf

paredes adiabáticas •Q = 0

•Sin movimiento (W = 0) •Uf - Ui = Q - W= 0 - 0= 0 ==> los estados inicial y final tienen la misma energía interna U(Ti,Vi)=U(Tf,Vf), y como experimentalmente se comprueba que tienen igual temperatura •La energía interna de un gas ideal depende solo de la temperatura U(T)

Proceso cíclico ( i = f )

DU = 0 = Q - W ==> Q = W

La energía interna permanece constante

El trabajo realizado por el sistema en un ciclo es igual al calor neto cedido al sistema

Aplicaciones Proceso isotérmico (T=cte)

•Cambio de fase se puede ceder calor pero la T no cambia

Proceso estrangulamiento

•Importancia práctica, ciclos de refrigeración

•Paso de un fluido de una zona de alta presión a otra de baja (válvula o pared porosa)

•U + p dV = H (cte (entalpía)) C

pared adiabática

p >

p <

p

V

W

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

Segunda ley de termodinámica.

http://teoria-de-la-relatividad.blogspot.com/2009/03/28e-los-agujeros-negros-v.html

Se expresa de diversas formas:

El universo tiende siempre a un aumento del desorden.

Si un proceso se produce espontáneamente la entropía total de un sistema debe aumentar.

Todos los procesos tienden a discurrir hacia el proceso de mayor entropía.

Segunda ley de termodinámica.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Triple_expansion_engine_animation.gif

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico. La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío.