Unidad 3: Temperatura y calor

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1 Unidad 3: Temperatura y calor

2 Termómetros: son aparatos destinados a medir la temperatura de los cuerpos.
• Escalas termométricas: una de las formas que existen para construir una escala de temperatura es escoger dos puntos de referencia. Por ejemplo, el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua a 1 atmósfera de presión.

3 a) Escala Celsius: al punto de congelación del agua se le asigna el cero y al punto de ebullición, el cien. El intervalo se divide en 100 partes iguales y cada parte recibe el nombre de grado centígrado. b) Escala Kelvin o absoluta: Asigna el valor 0 K (cero Kelvin) a la temperatura llamada cero absoluto, que corresponde a la temperatura a la cual cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la mínima temperatura que puede alcanzar un cuerpo. Las divisiones de esta escala, llamadas Kelvin, son iguales que las de la escala Celsius y la equivalencia entre ambas escalas es: TK= TC+ 273

4 Escala Fahrenheit En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (ºF). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación: TF = 1,8 · TC + 32

5 Dilatación Lineal: l = l0·(1 +  ·T) Superficial: S = S0·(1 +  ·T)
Cúbica: V = V0·(1 +  ·T) “”, “” y “” son los coeficientes de dilatación, lineal, superficial y cúbica respectivamente, y dependen del tipo de material. Se miden en K–1. Para un mismo material  = 2 ;  = 3 .

6 Ejemplo: Dilatación lineal
Un riel de aluminio de 30 m a 20°C se dilata, al aumentar la temperatura a 60°C si su coeficiente de dilatación es de 2,4x10-5°C -1 ¿Cuál es la variación de longitud que sufre este riel?

7 Ejemplo: Dilatación superficial
Una placa de vidrio de 10x10m cuadrados, incrementa su temperatura de 17 a 50°C. Determinar su dilatación superficial.

8 Ejemplo: Dilatación Volumétrica
El volumen inicial del mercurio es de 30m cúbicos, pero este sufre un cambio de temperatura de 10 a los 60°C. Determine el volumen final del mercurio

9 CALOR: El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo. 

10 Temperatura  La temperatura es la medida del calor de un cuerpo

11 El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

12 Diferencias entre calor y temperatura
. CALOR TEMPERATURA Es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo. Es la medida de dicha energía. Depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. No depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

13 Equilibrio Térmico Se observa que si un objeto que está a temperatura alta, entra en contacto (contacto térmico) con otro a mas baja temperatura, se transfiere calor hacia el objeto de mas baja temperatura. Los dos objetos alcanzarán la misma temperatura, y en ausencia de pérdidas hacia otros objetos, mantendrán una temperatura constante. Se dice entonces que están en equilibrio térmico. El equilibrio térmico es el tema de la Ley Cero de la Termodinámica.

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15 Equilibrio térmico

16 Ley Cero de la Termodinámica
La "ley cero" establece que, si dos sistemas separados están en el mismo momento en equilibrio térmico con un tercer sistema, aquellos están en equilibrio térmico uno con otro. Si A y C están en equilibrio térmico con B, entonces A está en equilibrio térmico con B. Prácticamente esto significa que los tres sistemas están a la misma temperatura, y esto forma la base para la comparación de las temperaturas

17 S i A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n B y a s u v e z B e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C , e n t o n c e s A e s t á e n e q u i l i b r i o t é r m i c o c o n C

18 calor El CALOR siempre fluye de los cuerpos de más a los cuerpos de menos TEMPERATURA.

19 Medición del calor Dos cuerpos inicialmente a diferente temperatura (TA y TB), al entrar en contacto, el que tiene mayor temperatura (A) cede calor al otro reduciendo su temperatura. El otro (B) absorbe calor y aumenta su temperatura, hasta que después de un tiempo, finalmente alcanzan una misma temperatura de equilibrio TE. Temperatura tiempo TA TB TE

20 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
En 1.857, el físico alemán R. Clausius desarrolló un modelo que pretendía explicar la naturaleza de la materia y reproducir su comportamiento. Se conoce como teoría cinético-molecular o teoría cinética, y fue desarrollada inicialmente para los gases. Puede resumirse en las siguientes premisas:

21 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Los gases están formados por partículas (átomos o moléculas) que se encuentran a grandes distancias en comparación con su tamaño Los gases están formados por partículas (átomos o moléculas) que se encuentran a grandes distancias en comparación con su tamaño, por lo que el volumen realmente ocupado por las moléculas es despreciable frente al volumen total, es decir, la mayor parte del volumen ocupado por un gas es espacio vacío.

22 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Las moléculas están en un continuo movimiento aleatorio. Se desplazan en línea recta chocando entre sí y contra las paredes del recipiente. Estos choques son elásticos, es decir, en el choque una molécula puede ganar energía y la otra perderla, pero la energía total permanece constante.

23 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
La presión ejercida por un gas es proporcional al número de choques por unidad de superficie de las moléculas contra las paredes del recipiente que lo contiene.

24 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Con la teoría cinético-molecular se pueden explicar las características de cada estado: Sólidos: Dado que las partículas se encuentran en contacto y no pueden desplazarse, los sólidos tienen una forma y volumen propios, no son compresibles ni expansibles, son relativamente duros y rígidos y su densidad es alta.

25 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Líquidos: Dado que las partículas se encuentran muy próximas y pueden desplazarse unas sobre otras, tienen volumen propio pero se adaptan a la forma del recipiente que las contiene y su densidad es algo menor que la de los sólidos.

26 TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Gases: Como las fuerzas de atracción son muy débiles, las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven en todas las direcciones y dado que no hay nada que retenga las partículas próximas entre sí, los gases se expanden hasta llenar el recipiente, y por existir grandes distancias entre ellas, son fácilmente compresibles y su densidad es mucho menor que la de los sólidos y líquidos.

27 Completa la siguiente tabla:
ACTIVIDAD Completa la siguiente tabla: Escala Celsius Escala Fahrenheit Escala Kelvin 46 89 390 -120 -75

28 Energía Interna La energía interna de un cuerpo es la suma de la energía de todas las partículas que componen un cuerpo. Entre otras energías, las partículas que componen los cuerpos tienen masa y velocidad, por lo tanto tienen energía cinética interna. También tienen fuerzas de atracción entre ellas, por lo que tienen energía potencial interna

29 ¿Influye la masa en la cantidad de energía térmica de un cuerpo?

30 Experimento de Joule Equivalente mecánico del calor
4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría. Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

31 Experimento de Joule. Equivalente mecánico del calor
Correspondió no obstante al científico británico James Prescott Joule ( ) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecánico del calor esto es entre el trabajo mecánico realizado y el calor producido. Joule demostró que la aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. A través de la realización de una serie de experimentos comprobó que siempre que sobre un sistema se realizaba la misma cantidad trabajo fuera este de origen mecánico, eléctrico o químico se obtenía la misma cantidad de calor, sentando así las bases para la compresión moderna del calor y del trabajo como formas de transferencia de energía y la determinación cuantitativa de la equivalencia entre ellas.

32 El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro)

33 El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios (J, en honor a Joule se dio su nombre a la unidad de energía del sistema internacional, SI) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica, y se conoce por razones históricas con el nombre de equivalente mecánico del calor.

34 Calorímetro

35 El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos.

36 Transferencia de calor
Por conducción Por convección Por radiación

37 CONDUCCIÓN

38 CONDUCCIÓN Es el transporte de calor a través de una sustancia (Fluidos: líquidos y gases)y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico). Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

39 Convección

40 CONVECCIÓN Tiene lugar cuando áreas de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación (corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías. En los líquidos y en los gases la convección es la forma más eficiente de transferir calor.

41 Radiación

42 RADIACIÓN Es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio material para que se transmita. Por radiación nos llega toda la energía del Sol. Al llegar a la Tierra empieza un complicado ciclo de transformaciones: la captan las plantas y luego la consumimos nosotros, el agua se evapora, el aire se mueve....

43 Calorimetría La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos

44 La capacidad calorífica
se puede expresar como la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC, la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. C= Q (cal/°C) ∆T Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de una sustancia, mayor será la cantidad de calor entregada a ella para subir su temperatura.

45 La cantidad de calor que recibe o transmite un cuerpo esta determinada por la siguiente fórmula:
Q = m x Ce x (Tf – Ti) Q es el calor m es la masa del cuerpo Ce es el calor específico del cuerpo (determinada por el material que lo compone) ∆T variación de temperatura (Tf- Ti)

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47 Calor especifico Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. c= Q (cal/g ºC) m ∆T

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49 Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc

50 Sistema aislado Es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.

51 Sistema cerrado Es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).

52 Sistema abierto Es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores

53 La energía en un sistema se conserva
Q cedido + Q absorbido= 0 Q abs = - Q ced Gana energía signo positivo Pierde energía signo negativo

54 Ejemplo El calor es cedido por los 100 gramos de agua a 90 ºC y el calor es absorbido por los 10 gramos de agua a 5 ºC.

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56 Cambio de estado de la materia
Todo cambio de estado se rige por dos leyes fundamentales: 1ª Ley: Toda sustancia que cambia de estado lo hace a temperatura constante (punto de transformación) durante el cambio de estado. 2ª Ley: Toda sustancia en su punto de transformación absorbe o cede calor por cada unidad de masa de la sustancia; este calor se llama calor de transformación.

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58 Cambios del estado del agua:
El paso del estado sólido a líquido recibe el nombre de fusión, lo que sucede por aumento de calor. El paso de estado líquido a gaseoso se llama evaporación , lo que sucede por aumento de calor. El paso del estado gaseoso a líquido se llama condensación , lo que sucede por pérdida de calor. El paso de líquido a sólido recibe el nombre de solidificación , lo que sucede por pérdida de calor.

59 Condensación En física, proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación. La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre ellas. Según la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido.

60 Evaporación Conversión gradual de un líquido en gas sin que haya ebullición. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en constante movimiento.

61 Fusión Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.

62 Solidificación Es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusión. Ejemplo de esto es cuando metes al congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras se convierta en solido.

63 Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada cantidad de calor puede ocurrir que:

64 a) Calor latente Cuando un líquido pasa al estado gaseoso, toma calor latente; cuando un gas se condensa y pasa al estado líquido, cede calor latente. Durante esos procesos la temperatura no experimentará cambio alguno. L = Q/m ( J/kg o cal/g) Q = m x L L es el calor latente de la sustancia, m es la masa de sustancia que cambia de estado.

65 Donde: El signo positivo (+) nos indica que la sustancia requiere absorber calor desde el medio para efectuar el cambio de estado; por ejemplo, en la fusión (sólido-líquido) y en la vaporización (líquido-gas). El signo negativo (–) nos señala que la sustancia necesita ceder calor al medio para realizar el cambio de estado; por ejemplo, en la condensación (gas-líquido) y en la solidificación (líquido-sólido).

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67 b) Calor sensible. Cantidad de calor que absorbe o libera un cuerpo sin que en el ocurran cambios en su estado físico (cambio de fase). Cuando a un cuerpo se le suministra calor sensible en este aumenta la temperatura.

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69 ¿Has notado que en días muy fríos un plato de comida caliente se enfría rápidamente?

70 Ley de enfriamiento de Newton
Ley de Enfriamiento de Newton. Esta  puede enunciarse de la siguiente manera: la rapidez con que se enfría un objeto es proporcional a la diferencia entre su temperatura y la temperatura del medio ambiente en el cual se encuentra el objeto.

71 30 de noviembre prueba