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CALOR. QUE ES ENERGÍA? El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva.

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1 CALOR

2 QUE ES ENERGÍA? El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 2

3 **Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.** El calor puede ser generado por reacciones: Químicas (como en la combustión) Nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol) Disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) Disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 3

4 ESCALAS DE TEMPERATURA En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas est á n la escala Celsius tambi é n conocida como escala cent í grada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodin á mica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelaci ó n del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullici ó n a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo cient í fico. La escala Fahrenheit se emplea en los pa í ses anglosajones para medidas no cient í ficas y en ella el punto de congelaci ó n del agua se define como 32 °F y su punto de ebullici ó n como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodin á mica de temperaturas m á s empleada. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 4

5 CELSIUS ESCALAS TERMOMÉTRICAS FAHRENHEIT 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 5

6 D 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 6

7 ESCALAS TERMOMÉTRICAS KELVIN 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 7

8 CELSIUS Y KELVIN 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 8

9 EJEMPLO DE CONVERSIÓN ENTRE °C Y K En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a 4K (Fenómeno conocido como superconductividad). ¿Cuál es esta temperatura en °C? Como T = t c +273 Sustituyendo valores: 4 = t c Entonces T c = Por lo tanto T c = -269 °C 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 9

10 A 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 10

11 E 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 11

12 B 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 12

13 C 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 13

14 ESCALA FAHRENHEIT Utilizada principalmente en los países de habla inglesa El punto de fusión del hielo se señala por 32 °F y el de ebullición por 212 °F 32 °F = 0 °C 212 °F = 100 °C (1 °F) = (5/9) (1 °C) Relación entre escala Celsius (t c ) y escala Fahrenheit (t F ) 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 14

15 EJEMPLO DE CONVERSIÓN ENTRE °C Y ° F El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una temperatura de 104 °F. Indique a cuantos °C equivale esta temperatura. Como t c =(5/9)(t F -32) Sustituyendo valores encontramos: t c =(5/9)(104-32) = (5/9)(72) = 40 Por lo tanto: t c = 40 °C 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 15

16 UNIDADES DE CALOR En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en Jules. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 16

17 D 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 17

18 D 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 18

19 A 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 19

20 TRANSFERENCIA DE CALOR Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante: 1)Convección (líquido o gas) 2)Radiación (ondas electromagnéticas) 3)Conducción (en los sólidos) 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 20

21 TRANSMISIÓN DEL CALOR Conducción: Es el proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos. Los de mayor temperatura transfieren energía a los de menor temperatura, hasta que sus temperaturas se equilibran. Esta forma de propagación del calor ocurre en las sustancias sólidas. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 21

22 CONDUCCIÓN 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 22

23 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Materialλ λ λ Acero47-58Corcho0,04-0,30Mercurio83,7 Agua0,58Estaño64,0Mica0,35 Aire0,02Fibra de vidrio0,03-0,07Níquel52,3 Alcohol0,16Glicerina0,29Oro308,2 Alpaca29,1Hierro1,7Parafina0,21 Aluminio209,3Ladrillo0,80Plata406,1-418,7 Amianto0,04Ladrillo refractario0,47-1,05Plomo35,0 Bronce Latón81-116Vidrio0,6-1,0 Cinc Litio301,2 Cobre372,1-385,2Madera0,13Mercurio 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 23

24 TRANSMISIÓN DEL CALOR Convección: Corresponde a la transmisión del calor en los líquidos y gases por el movimiento de sus moléculas, en forma de corrientes cálidas ascendentes y frías descendentes. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 24

25 CONVENCIÓN 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 25

26 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 26

27 TRANSMISIÓN DEL CALOR Radiación: El calor puede transmitirse a grandes distancias sin calentar en forma apreciable el espacio intermedio. Se produce mediante ondas calóricas semejantes a las de radio o electromagnéticas. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 27

28 RADIACIÓN Propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 28

29 RADIACIÓN TÉRMICA La radiación térmica es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej: La energía solar. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 29

30 EL CALOR LLEGA DESDE EL SOL HASTA LA PLACA METÁLICA POR RADIACIÓN. EL METAL DE LA PLACA EMITE RADIACIÓN EN EL INFRARROJO 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 30

31 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 31

32 DILATACIÓN DE LOS CUERPOS 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 32

33 CONSECUENCIAS 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 33

34 DILATACIÓN LINEAL En el caso de los cuerpos cuya principal dimensión es la longitud, al aumentar su temperatura, aumenta principalmente su longitud. De ahí entonces que hablemos de dilatación lineal. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 34

35 DILATACIÓN SUPERFICIAL Como en el caso anterior, la dilatación que experimenta cuya principal dimensión es su superficie, como en el caso de una lámina metálica. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 35

36 DILATACIÓN VOLUMÉTRICA La variación del volumen de un cuerpo que absorbe calor y aumenta su temperatura desde un valor hasta una temperatura final. Como en el caso de un cubo de metal, su dilatación volumétrica es: 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 36

37 Al aumentar la temperatura de una sustancia, aumenta la energía cinética de las moléculas que la forman, provocando un aumento de su volumen (dilatación); en caso contrario, si disminuye la temperatura, se produce una disminución de su volumen (contracción). DILATACIÓN YCONTRACCIÓN 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 37

38 ¿QUÉ LE SUCEDE AL ORIFICIO DE UN ARO AL AUMENTAR LA TEMPERATURA? 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 38

39 EJEMPLOS Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20°C. Suponiendo que la placa fuese calentada hasta 120 °C y zinc =2.6x10 -5 °C -1, calcule: El aumento en longitud de la placa. L= L 0 t, entonces L=(2.6x10 -5 °C -1 )(0.6m)( °C)=(1.56x10 -5 )(100) L=1.56x10 -3 m= 1.56mm El aumento en la anchura de la placa De igual forma L=(2.6x10 -5 °C -1 )(0.4m)( °C)=(1.04x10 -5 )(100) L=1.04x10 -3 m= 1.04mm 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 39

40 DILATACIÓN DE LOS LÍQUIDOS Los líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos Lo que interesa en los líquidos es su dilatación volumétrica ( °C -1 ) 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 40

41 EJEMPLO Un frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm 3 a 0 °C, está completamente lleno de mercurio a tal temperatura. Cuando el conjunto se calienta hasta 100 °C, se derraman 15.0cm 3 de mercurio. ¿Cuál fue la dilatación real del mercurio? Como V = V 0 t y Hg = 1.82x10 -4 °C -1, entonces: V Hg = (1.82x10 -4 °C -1 )(1000cm 3 )(100 °C) = (1.82x10 -4 )(1x10 5 )= 1.82x10 V Hg = 18.2 cm 3 ¿Cuál fue la dilatación real del frasco? La dilatación aparente del mercurio está dada por la cantidad que se derramó, i.e., 15cm 3. Como la dilatación real fue de 18.2cm 3, es obvio que la dilatación del frasco fue V frasco = , por lo tanto: V frasco = 3.2 cm 3 ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación lineal del vidrio del cual está hecho el frasco? Como V = V 0 t, si despejamos, entonces obtenemos: Y sustituyendo valores tenemos: frasco = (3.2cm 3 )/(1000cm 3 )(100°C) frasco = (3.2cm 3 )/(1x10 5 °C.cm 3 ), por lo tanto frasco = 3.2x10 -5 °C -1 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 41

42 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 42

43 C 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 43

44 D 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 44

45 EL AGUA: UNA EXCEPCIÓN El agua sufre un comportamiento contrario respecto de su dilatación en el rango de temperaturas de 0ºC a 4ºC. El agua se contrae cuando la temperatura sube en este tramo y se dilata si la temperatura disminuye en este tramo. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 45

46 E 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 46

47 B 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 47

48 SÍNTESIS DE LA CLASE Calor Temperatura Utilizan escalas Kelvin Celcius Radiación Conducción Convección Se transmite por Se mide con Termómetros Puede provocar una variación de una variación de 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 48

49 MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Los cambios de temperatura se miden a partir de los cambios en las otras propiedades de una sustancia, como ser: -termómetro -calorímetro **Termógrafo: instrumento que registra en forma continua la temperatura** 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 49

50 Termómetro de mercurio para medir temperaturas en el rango que se encuentran comúnmente en la atmósfera. Termómetro de máxima Los termómetros que miden la temperatura del cuerpo son de máxima. Termómetro de mínima para medir la mínima diaria. Como los termómetros de alcohol. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 50

51 CALORIMETRÍA. Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. **Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura**energía internaenergía térmica 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 51

52 CONCEPTO DE CALOR El calor se define como un tipo de energía, denominada Energía Calórica Ahora, supongamos que tenemos 2 cuerpos A y B a diferente temperatura con De acuerdo con esto, la energía cinética promedio de sus respectivas partículas es diferente. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 52

53 Si ponemos estos 2 cuerpos en contacto, en un ambiente aislado, al cabo de cierto tiempo ambos cuerpos habrán igualado sus temperaturas. Cuando esto ocurre, decimos que los cuerpos se encuentran en equilibrio térmico. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 53

54 ¿QUÉ OCURRE ENTRE AMBOS CUERPOS PARA QUE IGUALEN SUS TEMPERATURAS? Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas, igualan la energía cinética promedio de sus partículas, es decir intercambian energía. El cuerpo que se encuentra a mayor temperatura, transfiere energía al cuerpo más frío. Hasta que ambos lleguen al equilibrio térmico. Cuando un cuerpo absorbe calor, aumenta su energía térmica y por consiguiente, su temperatura. Cuando entrega o cede calor, la disminuye. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 54

55 Es una magnitud que nos permite estimar la cantidad de calor que absorbe una porción de una sustancia, cuando experimenta un aumento de su temperatura. Supongamos que tenemos una sustancia de masa m. Si este cuerpo es puesto sobre una fuente de calor, absorberá cierta cantidad de calor Q, aumentando su temperatura desde un valor inicial hasta una valor final 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 55

56 De forma experimental, se verifica que esta variación de temperatura es proporcional a la cantidad de calor absorbida, e inversamente proporcional a su masa. O sea: 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 56

57 De acuerdo con lo anterior, nuestra constante de proporcionalidad, la podemos expresar como: Esta constante, se le denomina calor específico y es una constante que depende de la naturaleza de cada sustancia. Corresponde a la cantidad de calor que se debe entregar a una unidad de masa de cierta sustancia, para que aumente su temperatura en 1°C. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 57

58 A partir de la relación anterior, podemos decir que el calor absorbido, está definido por: Con esta relación, podemos hacer las siguientes observaciones: 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 58

59 ALGUNOS VALORES DE CALOR ESPECÍFICO Sustancia Agua14180 Aluminio0, Cobre0, Hierro0, Mercurio0, Plata0, Estaño0, Cinc0, Vidrio0, Latón0, Plomo0, Hielo0, /08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 59

60 CALOR LATENTE sustanciaT f [°C]L f [cal/g]T e [°C]L e [cal/g] H20H200,0079,71100,00539,60 O2O2 -219,003,30-182,9050,90 Hg-39,002,82357,0065,00 Cu1083,0042,002566,90 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 60

61 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 61

62 El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. 06/08/2011 Elaboró: Yovany Londoño 62


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