PPTCES008CB32-A16V1 Clase Calor I: calor y temperatura.

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1 PPTCES008CB32-A16V1 Clase Calor I: calor y temperatura

2 Resumen de la clase anterior Divergentes Convergentes Planos Esféricos La luz Refracción Reflexión Experimenta Cóncavos Convexos Produce imágenes en Espejos Produce imágenes en Lentes Corrigen Defectos de la visión

3 Aprendizajes esperados Comprender los conceptos de calor y temperatura. Aplicar las relaciones matemáticas correctas para expresar una temperatura en las distintas escalas termométricas. Reconocer las diferentes formas de transmisión del calor. Reconocer fenómenos asociados a la variación de temperatura en los cuerpos. Aplicar los conocimientos a la solución de problemas.

4 Pregunta oficial PSU Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2015, módulo común. Para un gramo de agua que se encuentra en un recipiente cerrado a 1 atm y a una temperatura inicial de 4 ºC, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? A) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su volumen. B) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su densidad. C) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su masa. D) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su volumen. E) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces aumenta su densidad.

5 1.Calor y temperatura 2.Transmisión del calor 3. Dilatación y contracción 4. Anomalía del agua Págs.: 160 – 167 173 - 175 Cap. 6

6 1.1 Definición Calor Se define como la energía en tránsito que fluye, natural y espontáneamente, desde un cuerpo o sistema más caliente hacia otro más frio. Es una magnitud escalar y se mide en: S.I.: [ joule ] = [ J ] C.G.S.: [ ergio ] = [ erg ] También se suele expresar en [ calorías ] = [ cal ]. Temperatura Se puede decir que es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo o sistema. Mientras más se muevan (vibren) las partículas de un cuerpo, mayor será su “temperatura”. Es una magnitud escalar y se puede expresar en grados Celsius, Fahrenheit o kelvin. 1. Calor y temperatura Pág. 160 Cap. 6

7 1. Calor y temperatura Escala Celsius Creada en 1742 por el sueco Anders Celsius. En esta escala, a la temperatura de fusión del hielo se le asigna el 0 [º C ], y a la temperatura de ebullición del agua se le asigna el valor 100 [º C ] (a nivel del mar). Como ya lo mencionamos, la temperatura de un cuerpo puede expresarse según diferentes escalas termométricas. Las más usadas son: Celsius, Fahrenheit y kelvin. Escala Fahrenheit Creada en 1724 por Gabriel Fahrenheit (alemán); en esta escala, la temperatura de fusión del hielo corresponde a 32 [º F ], y la temperatura de ebullición del agua corresponde a 212 [º F ] (a nivel del mar). Tº ebullición del agua Tº fusión del hielo 1.2 Escalas termométricas Pág. 163 Cap. 6

8 1. Calor y temperatura Escala kelvin o absoluta Creada en 1848 por el británico William Thomson (lord Kelvin). La escala absoluta incluye la temperatura teórica más baja posible, el cero absoluto o 0 [ kelvin ]. En esta escala la temperatura de fusión del hielo corresponde, aproximadamente, al 273 [ K], y la de ebullición del agua al 373 [ K] (a nivel del mar). 1.2 Escalas termométricas Tº ebullición del agua Tº fusión del hielo Cero absoluto

9 5. ¿A cuántos grados Celsius equivalen 0 [K], 100 [K] y 273 [K], respectivamente? A) 0, 100 y 273 B) 0, 173 y 273 C) 0, -173 y -273 D)-273, -173 y 0 E)-273, 373 y 546 Ejercicios Ejercicio 5 guía Calor I: calor y temperatura D Aplicación

10 6. Se tienen dos líquidos, P y Q, a distinta temperatura. Al medir la temperatura del líquido P con un termómetro graduado en Celsius registra 87 [ o C], y al medir la temperatura del líquido Q con un termómetro graduado en kelvin registra 180 [K]. Al medir ambas temperaturas en kelvin y compararlas, es correcto afirmar que el líquido P tiene A)un cuarto de la temperatura del líquido Q. B)la mitad de la temperatura del líquido Q. C)la misma temperatura del líquido Q. D)el doble de la temperatura del líquido Q. E)el cuádruple de la temperatura del líquido Q. Ejercicios Ejercicio 6 guía Calor I: calor y temperatura D ASE

11 El calor puede transmitirse de tres formas distintas, que dependerán del medio por el cual se propague. 2.Transmisión del calor 2.1 Formas de transmisión del calor Conducción El calor (energía) se transmite de una partícula a otra, avanzando paulatinamente por el material. Esta forma de propagación del calor ocurre solo en los sólidos. Pág. 173 Cap. 6

12 En el interior de la Tierra Convección Corresponde a la transmisión del calor en los fluidos (líquidos y gases), mediante corrientes cálidas ascendentes y frías descendentes. 2.Transmisión del calor 2.1 Formas de transmisión del calor Corrientes cálidas ascendentes Corrientes frías descendentes En la atmósfera En una lámpara de magma Pág. 174 Cap. 6

13 Radiación Corresponde a la transmisión del calor por medio de ondas electromagnéticas (principalmente del espectro infrarrojo), pudiendo viajar grandes distancias a través del vacío, sin calentar el espacio intermedio. 2.Transmisión del calor 2.1 Formas de transmisión del calor Fotografía térmica: los seres vivos irradiamos calor

14 11. Respecto de la transmisión del calor por convección, es correcto afirmar que I) se requiere de una fuente de calor para que se produzca. II) se produce en un medio material. III) se produce solo en los fluidos. A)Solo I B)Solo II C)Solo III D)Solo I y II E)I, II y III Ejercicios Ejercicio 11 guía Calor I: calor y temperatura E Reconocimiento

15 3. Dilatación y contracción 3.1 Efectos de la variación de temperatura en los cuerpos Al variar la temperatura de un cuerpo son varios los efectos que este puede experimentar. Algunos de ellos son: los cambios de fase, la incandescencia, deformación, el aumento de tamaño (dilatación) o la disminución de tamaño (contracción). Botellas deformadas por calor Cambios de fase Metal fundido incandescente Falla producida por dilatación Chocolate fundido por calor Pág. 166 Cap. 6 Ampolleta incandescente

16 3. Dilatación y contracción 3.2 Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos Dentro de los efectos mencionados, nos detendremos en los cambios de tamaño que experimentan los cuerpos cuando varía su temperatura, es decir, estudiaremos la dilatación y contracción. Un alambre es un cuerpo “lineal” Cuerpos lineales En la naturaleza todos los cuerpos poseen 3 dimensiones: alto, largo y ancho. En algunos cuerpos una (o dos) de esas dimensiones puede ser mucho menor que las demás y, por tanto, despreciable respecto de las otras. Por ejemplo, en un alambre delgado y largo, el alto y el ancho, comparados con su longitud, pueden llegar a ser dimensiones despreciables. En los cuerpos lineales nos fijamos solo en su longitud. Cuando un cuerpo posee una sola dimensión importante, siendo las otras dos despreciables respecto de la primera, se dice que es un cuerpo “lineal”.

17 3. Dilatación y contracción Cuerpos superficiales En cambio, otros cuerpos poseen dos dimensiones importantes (largo y ancho), siendo la tercera (alto) despreciable respecto de las otras dos; en este caso se dice que el cuerpo es “superficial”. Una lámina metálica, una hoja de papel y una membrana son cuerpos “superficiales”. En los cuerpos superficiales nos interesa su superficie. 3.2 Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos

18 3. Dilatación y contracción Cuerpos volumétricos Cuando todas las dimensiones de un cuerpo son relevantes, no existiendo dimensiones despreciables respecto de las demás, entonces se dice que el cuerpo es “volumétrico”. Un cubo, un cilindro, un balón de futbol y un microondas son cuerpos “volumétricos”. En los objetos volumétricos nos interesa el volumen. 3.2 Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos

19 3. Dilatación y contracción 3.3 Dilatación – contracción de cuerpos lineales Dilatación - contracción lineal En general, al variar la temperatura de un cuerpo lineal su longitud cambia, aumentando si esta se eleva o disminuyendo si decrece. Así, el cuerpo se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse. Por ejemplo: en un riel de ferrocarril. Juntas de dilatación: son espacios que permiten la dilatación y contracción en las estructuras.

20 3. Dilatación y contracción 3.4 Dilatación – contracción de cuerpos superficiales Dilatación - contracción superficial En general, al variar la temperatura de un cuerpo superficial su área o superficie cambia, dilatándose al calentarse o contrayéndose al enfriarse. Por ejemplo: en una lámina delgada de metal. Las estructuras deben tener espacio suficiente para dilatarse, de lo contrario, pueden romperse.

21 3. Dilatación y contracción Dilatación - contracción volumétrica La dilatación o contracción afecta el volumen del cuerpo; todas las dimensiones del cuerpo “crecen o se encogen” de forma relevante al variar su temperatura. Por ejemplo: en un cubo de metal. ¿Sabías que la torre Eiffel crece 6 [cm] en los veranos? 3.5 Dilatación – contracción de cuerpos volumétricos

22 15. El espacio medido en centímetros que debe existir entre dos rieles de acero de 6 [m] de longitud cada uno, si se prevé una variación de temperatura de 100 [ºC], es (Considere que el coeficiente de dilatación lineal del acero es 11 · 10 -6 [ºC] -1 ) A)0,33 B)0,66 C)0,99 D)1,32 E)1,88 Ejercicios Ejercicio 15 guía Calor I: calor y temperatura B Aplicación

23 18. Un líquido de coeficiente de dilatación volumétrica 6,9 ∙ 10 -5 [°C] -1 se encuentra contenido en un recipiente de metal, cuyo coeficiente de dilatación lineal es 2,3 ∙ 10 -5 [°C] -1. Si el líquido llena completamente el recipiente y el conjunto es sometido a un aumento de temperatura de 40 [°C], es correcto afirmar que el líquido se dilatará A)el triple de lo que lo hará el recipiente. B)el doble que el recipiente. C)lo mismo que el recipiente. D)la mitad de lo que se dilatará el recipiente. E)la tercera parte de lo que se dilate el recipiente. Ejercicios Ejercicio 18 guía Calor I: calor y temperatura C ASE

24 4. Anomalía del agua 4.1 El agua, una excepción Como acabamos de ver, en general los materiales se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Sin embargo, cuando enfriamos agua, a partir de los 4 [ºC] comienza a dilatarse, aún cuando su temperatura siga disminuyendo. Por otro lado, si tenemos agua a 0 [ºC], al aumentar su temperatura comienza a contraerse, al contrario de lo esperado; esto sucede así hasta los 4 [ºC]. A partir de esta temperatura el agua comienza a comportarse de manera “normal”, es decir, se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse. Recuerda, este comportamiento anómalo del agua solo se presenta entre los 0 [ºC] y los 4 [ºC]. Pág. 166 Cap. 6

25 4.2 Un fenómeno curioso Si ponemos agua en una botella y la dejamos en el congelador a 0 [ºC], veremos que todo el volumen de agua se congela. Sin embargo, en los lagos de zonas muy frías, aun cuando la temperatura en invierno puede alcanzar varias decenas de grados bajo cero, solo se congela la capa superior del agua. ¿Por qué no se congela el lago completo? ¿Qué importancia puede tener este fenómeno? 4. Anomalía del agua

26 2. Si se tiene un líquido desconocido a 0 [°C] y se le aplica calor, entonces el líquido A)se dilatará. B)se contraerá. C)mantendrá su volumen. D)se dilatará o se contraerá, nunca mantendrá su volumen. E)se contraerá o mantendrá su volumen, nunca se dilatará. Ejercicios Ejercicio 2 guía Calor I: calor y temperatura D Comprensión

27 Pregunta oficial PSU Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2015, módulo común. Para un gramo de agua que se encuentra en un recipiente cerrado a 1 atm y a una temperatura inicial de 4 ºC, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? A) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su volumen. B) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su densidad. C) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su masa. D) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su volumen. E) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces aumenta su densidad. A Comprensión

28 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 1 B Calor Comprensión 2 D Calor Comprensión 3 B Calor Reconocimiento 4 C Calor Reconocimiento 5 D Calor Aplicación 6 D Calor ASE 7 E Calor ASE 8 B Calor Aplicación 9 C Calor Aplicación 10 B Calor Comprensión 11 E Calor Reconocimiento 12 D Calor Comprensión

29 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 13 D Calor Aplicación 14 B Calor Comprensión 15 B Calor Aplicación 16 C Calor Comprensión 17 E Calor Comprensión 18 C Calor ASE 19 D Calor Reconocimiento 20 D Calor Comprensión 21 C Calor Aplicación 22 B Calor Comprensión 23 B Calor Aplicación 24 D Calor Reconocimiento 25 E Calor Comprensión

30 Síntesis de la clase CALOR Y TEMPERATURA ¿Qué es el calor? ¿Qué es el calor? ¿Qué es la temperatura? ¿Cómo se transmite el calor? En general, ¿qué efecto produce el aumento o disminución de temperatura en los cuerpos? ¿Cuál es el rango de temperatura en el que se produce la “anomalía del agua”?

31 Prepara tu próxima clase En la próxima sesión estudiaremos Calor II: mezclas y cambios de fase

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33 Propiedad Intelectual Cpech RDA: 186414 ESTE MATERIAL SE ENCUENTRA PROTEGIDO POR EL REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL. Equipo Editorial Área Ciencias: Física