Calor y temperatura

animació

n

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Transformaciones energéticas.Transformaciones energéticas.

En cada proceso o transformación que ocurre en el universo (en la naturaleza, en la industria, etc.) la energía puede “convertirse” de un tipo a otro, a este cambio se le denomina trasformación energética.

Hermann von Helmholtz.Postdam. Alemania

(1821 – 1894)

Principio de conservación de la energía (LCE):

““La energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir (eliminar, hacerla desapa-recer). Únicamente se puede transformar de una forma a otra y/o pasar de un cuerpo a otro”.”.

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Sumario Energía.Sumario Energía.

En resumen La energía presenta tres propiedades básicas:

o La energía total de un sistema aislado se conserva.

(Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía. La energía total en el universo es constante (LCE)).

o La energía puede transmitirse (transferirse) de

unos cuerpos (o sistemas materiales) a otros.

o La energía puede transformarse de unas formas a

otras.

Las unidad de la energía en el SI es el Julio(Joule): 1J=1Kg·m2/s2

Otras undidades: Caloria (1cal=0,24J), ergio (1erg=1·10-

7Julios)

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Mecanismos de intercambio de energía.Mecanismos de intercambio de energía.

Los cuerpos pueden intercambiar energía mediante dos mecanismos: Calor y Trabajo.

Cuando la interacción es de tipo mecánico, es decir, mediante la actuación de una fuerza (y siempre que haya desplazamiento), la transferencia de energía entre un cuerpo y otro se denomina Trabajo (W).

FuerzaFuerza

55

Mecanismos de intercambio de energía.Mecanismos de intercambio de energía.

Cuando la interacción es de tipo térmica, esto es, ocurre porque los dos cuerpos tienen diferente temperatura la energía se transfiere del cuerpo a mayor T hacia el de menor T. Este mecanismo de transferencia se denomina Calor (Q).

ElEl Calor Calor y ely el trabajo trabajo no son otra forma de energía, no son otra forma de energía, sino formas de intercambio o transferencia de energía. sino formas de intercambio o transferencia de energía.

(Teplo(Teplo a a prácprácee nejsou druhy energie, ale formy jejího nejsou druhy energie, ale formy jejího přenosupřenosu))

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Estado sólido: • Moléculas muy cerca unas de otras

fuerzas de cohesión entre moléculas muy intensas.

• Las moléculas ocupan una posición fija en el sólido no pueden “viajar”, (sólo vibrar)

• Poseen una forma definida y ocupen un volumen propio.

Estados de agregación de la materia

a)

b)

c)

Estado líquido: • Moléculas a mayor distancia que en los

sólidos las fuerzas de cohesión son pequeñas.

• Las moléculas pueden “viajar”.• Ocupan un volumen propio, pero no

tienen una forma definida, sino que se adaptan al recipiente que los contiene.

Estado gaseoso: • Distancia grande

entre las moléculas. Fuerzas de cohesión práctica-mente nulas.

• Presentan tendencia a ocupar el mayor volumen posible al poder expan-dirse con facilidad.

Animación estados agreg

7

Temperatura

Animación estados agreg

Si la agitación térmica(más movimiento) ↑ Energía interna

Temperatura ↑

+Energía

“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitación térmca o movimiento medio de las moléculas de un material, es decir, de la energía cinética media de éstas”.

“La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de las partículas (átomos, moléculas,...) que lo componen.”

Es una magnitud intensiva

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Animación estados agreg

“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitación o movimiento medio (de la energía cinética meia) de las moléculas de un material”.

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Medición de la temperatura: teoría cinética

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Principio 0 de la termodinámica

• Cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto térmico, la energía térmica empieza a fluir en forma de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor.

• Esto ocurrirá hasta que se igualen sus temperaturas,

• A esta situación se le llama equilibrio térmico Principio 0 de la termodinámica: “Si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico (misma temperatura) con un tercer cuerpo C, ambos cuerpos (A y B) están en equilibrio entre sí (misma temperatura)”.

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Medición de la temperatura: Termómetros

Un termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura de un cuerpo. .

Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos:

Con los termómetros medimos la temperatura de forma indirecta a partir de otra propiedad.

• Escoger una propiedad de la materia que sea fácilmente observable y medible

• Que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, (que esta variación sea fácil de medir)

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Medición de la temperatura: Termómetros

Termómetros de mercurio y de alcohol

Termómetro bimetálico (de resorte espiral)

TermoparTermómetro de gas a presión constante

Pirómetro

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Medición de la temperatura: Termómetros

Actividad: Haz una búsqueda en Internet y escribe una pequeña descripción del principio de funcionamiento de los siguientes termómetros:

termómetros de mercurio y de alcohol, bimetálicos, de gas (a P=cte), termopares y pirómetros.

Realiza una tabla donde especifiques la propiedad que varía en cada tipo de termómetro, así como el rango de temperaturas en que es habitual usarlo.

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0ºC100ºC

Medición de la temperatura: Escalas de Temperatura

Escala

Puntos de referencia

Divisiones UsoPunto congelaci

ón

Punto ebullición

Celsius 0º 100º Europa

Kelvin 273,15º 373,15Científicos

(SI)

Fahrenheit

32º 212ºAnglosajones (EEUU, Reino Unido, etc.)

Nota: Un incremento de 1ºC (ó 1ºK) equivale a un incremento de 1,8ºF

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Medición de la temperatura: Escalas de Temperatura

100180 100

º15,273)()( CTKT

9

32)(º

5

)(º

FTCT

Para pasar de un sistema a otro:De Celsius a Kelvin:

De Fahrenheit a Celsius:

(cloruro amónico en agua)

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Escalas de temperatura, ejercicios

Ej 1,(1 boletín, 5/155 Guad): Un amigo inglés te escribe diciendo que ha estado en cama con fiebre y ha alcanzado una temperatura de 104 °F. ¿Cuántos grados Celsius son?¿Cuántos Kelvins?

Solución: T=40ºC=313K

Ej 2 (2 boletín, ):Responde a las siguiente preguntas:a. ¿Que temperatura en ºC hay en Londres si en las noticias dicen

que están a 54ºF?b. La temperatura de ebullición (vaporización) del etanol (el

alcohol de las bebidas) es 78ºC ¿Cual es esa temperatura en K? ¿Y en ºF?

Ej 3,(3 boletín, 6/155 Guad): El gas noble helio licua a 4,2 K. Expresa esta temperatura en grados Celsius y en grados Fahrenheit.

Solución: T(ºC)=-268,8ºC T(ºF)=-451,11°F

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Escalas de temperatura, ejercicios

Ej 4, (4 boletin):Estas de viaje por EEUU y en la noticias avisan que se aproxima una helada y que se pueden alcanzar temperaturas de hasta +10ºF. ¿Cual será la temperatura en grados celsius ?

Solución: T(C)=-12,2ºC

Ej 5, (5 boletin) Un termómetro de mercurio está graduado en las escalas Celsius y Fahrenheit. La distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Fahrenheit es 1 mm. ¿Cuál es la distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Celsius?

.

Solución: d=1,8mm

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Efectos del Calor

Efectos del Calor

Cuando un cuerpo absorbe (o cede) calor, aumenta (o disminuye) su energía interna, en particular su agitación térmica (su energía térmica).

Este cambio en su energía produce al menos uno de los siguientes efectos en la sustancia de dicho cuerpo:

o Aumentos de temperatura

o Cambios de fase (de estados de agregación)

o Cambios de volumen (dilatación/contracción).

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Efectos del Calor: Cambios de temperatura

Cambios de temperatura:

Calor específico de una sustancia: calor necesario para elevar un 1º la temperatura de una unidad de masa (gr, Kg, mol) de esa sustancia.

J

kg.K

0

cal

g. C

Sustancia Ce(cal/g 0C)

Agua 1,000

Aluminio 0,217

Etanol 0,586

Cobre 0,095

Hierro 0,111

Zinc 0,092

Plomo 0,031

es una propiedad característica de las sustancias.

La unidad S.I. de calor específico es:

… aunque habitualmente se mide en:

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Efectos del Calor: Cambios de temperaturaCalor especifico

Calor latente de fusión

Calor latente de vaporización

Temp. de fusión

Temp de ebullición

Sustancia cal/g·ºC J/kg·K cal /g kJ/kg cal /g kJ/kg (ºC) (ºC)

Agua (líquida) 1,00 4180 334 2260 0 100

Agua (Hielo) 0,49 2050 0 100

Agua (Vapor) 0,47 1960 0 100

Alcohol etílico 0,59 2450 105 846 -114 78,4

Benceno 127 396 5.5 80.2

Oxígeno 3,30 50,90 -219 -183

Bronce 0,086 360

Oro 0,03 130 67

Aluminio 0,22 900 322-394 2300 658.7 9220

Hierro 0,11 450 293 3050 1530 6300

Plata 0,06 240 109

Plomo 0,031 130 22.5 1750 327.3 880

Cobre 0,093 389 214 2360 1083 5410

Mercurio 0,033 138 11.73 356.7 -38.9 285

Plata 0,06 240

Agua de mar 0,945

Aire 0,24 1.010

Granito 0,19 800

Aceite de oliva 0,47 2.000

Acero inox 0,12 510

Madera 0,42 1.760

Latón 0,094

Vidrio 0,199

Arena 0,20

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Efectos del Calor: Cambios de temperatura

¿Cuánto calor es necesario comunicar a una sustancia para que eleve su temperatura Δt 0 C?

La cantidad de calor necesaria depende de la sustancia de que se trate y de la masa de la misma y se calcula usando la expresión:

Ej 1 (prob 7; 15/161 Guad): Deseamos calentar 250 g de agua desde 20°C a 40°C. ¿Cuánto calor se requiere?

Solución: Q=20900J

Ej 2 (probl 8) : El calor especifico del Etanol es c=2424J/Kg·C ¿Cuantas calorías son necesarias para elevar 1ºC la temperatura de un Kg de etanol? ¿Y para elevarla un ºF? ¿Y un ºK?

Solución: a) 1º celsius: Q=2424J b) 1º Farenheit: Q=1346,7J c) 1 Kelvin: Q=2424J

e f i eQ m c t t m c t

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Aumento temperatura y equilibrio térmico

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Aumento temperatura y equilibrio térmico

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Aumento temperatura y equilibrio térmico, ejercicios

Ejemplo 3 (Probl12; 16/161 Guad): Calcula la masa de una pieza de hierro si se sabe que, para aumentar su temperatura desde 25°C a 100 °C, necesita absorber 2 508 J.

Solución: m=0,075Kg

Ejemplo 4 (Probl15): Se mezclan 800 g de agua a 20º C con 1000 g de agua a 70ºC. Calcular cuál será la temperatura final de la mezcla.

Solución: 47,8ºC

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Equilibrio térmico, ejercicios

Ejemplo 5,(ej 11): Con el fin de determinar el calor específico de un metal se calienta un trozo de 100,0 g hasta 86ºC y a continuación se introduce en un calorímetro que contiene 300, 0 g de agua a una temperatura de 21ºC. El agua del calorímetro se agita y tras unos minutos se alcanza el equilibrio entre la pieza metálica y el agua adquiriendo el conjunto una temperatura de 25ºC. Determinar el calor específico del metal.

Datos: equivalente en agua del calorímetro: k=42,5 g

Sol: Sin considerar el equivalente en agua del calorímetro: 820,8 J/KgºC,=0,197cal/gºC el metal considerado debe ser Aluminio (si comparamos con la tabla está muy cerca de 0,217 cal/gºC –se comete un error del 11,6%-). Considerando el equivalente en agua del calorímetro: 937,5J/KgºC=0,225cal/gºC

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Efectos del Calor: Cambios de estado

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Efectos del Calor: Cambios de estado

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Efectos del Calor: Cambios de estado

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Efectos del Calor: Cambios de estado

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Efectos del Calor: Cambios de estado

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Mecanismos de transferencia del calor

Existen 3 formas (o mecanismos) básicas de transferencia de calor entre los cuerpos:

ConducciónConvecciónRadiación

video

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Mecanismos de transferencia del calor

Conducción:oTípica de los sólidos.o Las partículas del cuerpo se

transfieren la energía térmica de una a otras sin desplazarse por el cuerpo

video

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Efectos del calor: Dilataciones

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Dilatación lineal Dilatación superficial Dilatación cúbica

) )

Efectos del calor: Dilataciones

T

l

l

·1

0

T

S

S

·1

0

T

V

V

·1

0

)1(0 Tll )1(0 TSS )1(0 TVV

Coefiente de dilatación lineal: aumento de longitud de un cuerpo cuando la temperatura aumenta 1ºC

Coef. dilatación superficial: aumento del áreade un cuerpo cuando la temperatura aumenta 1ºC

Coefiente de dilatación cúbica: aumento de volumen de un cuerpo cuando la temperatura aumenta 1ºC

Superficie final:Longitud final: volumen final

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Medición de la temperatura: Dilataciones

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Calor y Trabajo: Maquinas termicas

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Enlaces interesantes

http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/maquinastermicas/Pagina del CNICEhttp://blog.educastur.es/eureka/4%C2%BA-fyq/calor-y-energia-termica/