Equipo 9 Calor y Temperatura

Temperatura Es la medida de la energía cinética media de las moléculas de una sustancia. Calor Es la suma de la energía cinética de todas las moléculas de una sustancia.

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

Conducción Forma de propagación de calor, a través de un cuerpo sólido, debido al choque entre moléculas.

Convección Es la propagación del calor provocada por el movimiento de la sustancia caliente.

Radiación Propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas, incluso en el vacío a una velocidad de 300mil Km/s

Medidas de la Temperatura Se utilizan como medidas: En el SI: Los grados Kelvin (K) En el sistema CGS: Los grados Celsius (°C) En el sistema Inglés: Los grados Fahrenheit (°F)

Equivalencias Grados Celsius a Fahrenheit. Grados Fahrenheit a Celsius. Grados Celsius a Kelvin

Aumento de la Temperatura Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos. Al calentarse se dilatan, aumentando su tamaño. Al enfriarse se contraen, disminuyendo su tamaño.

Dilatación Lineal En una barra de cualquier material, la dilatación provoca un aumento en su longitud. A eso se le conoce como dilatación lineal.

Coeficiente de Dilatación Lineal Es el incremento de longitud que experimenta una varilla de determinada sustancia cuando su temperatura se eleva 1°C y su longitud inicial es de 1m. Se calcula así: Donde: α es el coeficiente de dilatación lineal en 1/°C L f es la longitud final en metros L 0 es la longitud inicial en metros T f es la temperatura final T 0 es la temperatura inicial

Coeficientes de Dilatación Lineal MATERIAL α (1/°C) Hierro11.7×10 -6 Aluminio22.4×10 -6 Cobre16.7×10 -6 Plata18.3×10 -6 Plomo27.3×10 -6 Níquel12.5×10 -6 Acero11.5×10 -6 Zinc35.4×10 -6 Vidrio7.3×10 -6

Si conocemos el coeficiente de dilatación lineal de un material, podemos conocer su longitud final al aplicarle calor. A partir de la fórmula del coeficiente de dilatación. Donde: α es el coeficiente de dilatación lineal en 1/°C L f es la longitud final en metros L 0 es la longitud inicial en metros T f es la temperatura final T 0 es la temperatura inicial

Ejercicios Un puente de acero de 100m de largo a 8°C aumenta su temperatura a 24°C. ¿De cuánto es ahora su longitud? L 0 = 100m T 0 = 8°C T f = 24°C α = 11.5×10 -6 L f =(100)[ ×10 -6 (24-8)] L f =(100)( ) L f =

¿Cuál es la longitud de una varilla de aluminio al disminuir la temperatura a -3°C. Si a 30°C tiene una longitud de 1.2m? L 0 = 1.2m T 0 = 30°C T f = -3°C α = 22.4×10 -6 L f =(1.2)[ ×10 -6 (-3-30)] L f =(1.2)( ) L f = m

Dilatación de área Cuando una lámina se calienta, esta incrementa su tamaño en sus 2 dimensiones, largo y ancho. Incrementando su área en función de dichas dimensiones.

Coeficiente de dilatación de área Es el incremento en el área que experimenta una lámina de determinada sustancia cuando su temperatura se eleva 1°C y su área inicial es de 1m 2. Se calcula duplicando el valor del coeficiente de dilatación lineal. Así: γ = 2α γ = Coeficiente de dilatación de área α = Coeficiente de dilatación lineal

Coeficientes de Dilatación de Área MATERIAL γ (1/°C) Hierro23.4×10 -6 Aluminio44.8×10 -6 Cobre33.4×10 -6 Plata36.6×10 -6 Plomo54.6×10 -6 Níquel25.0×10 -6 Acero23.0×10 -6 Zinc70.8×10 -6 Vidrio14.6×10 -6

Conociendo el coeficiente de dilatación por área podemos saber el área que tendrá una superficie de cualquier material al aplicarle calor. A partir de la ecuación del coeficiente de dilatación de área tenemos: Donde: γ es el coeficiente de dilatación lineal en 1/°C A f es el área final en metros cuadrados A 0 es el área inicial en metros cuadrados T f es la temperatura final T 0 es la temperatura inicial

Ejercicios A una temperatura de 40°C, una lámina de cobre tiene un área de 10m 2. Si se aumenta la temperatura a 100°C, ¿Cuál será su área? A 0 = 10m 2 T 0 = 40°C T f = 100°C γ = 33.4×10 -6 A f = (10)[ ×10 -6 (100-40)] L f =(10)( ) L f = m 2

Si a una lámina de zinc de 30m 2 a 28°C, disminuimos su temperatura a -3°C. ¿Cuál sería su área? A 0 = 30m 2 T 0 = 28°C T f = -3°C γ = 70.8×10 -6 A f = (30)[ ×10 -6 (-3-28)] A f =(30)( ) L f = m 2

Implica el aumento en las dimensiones de un cuerpo: largo, ancho y alto, al aplicarse calor, lo que significa un incremento de volumen. Dilatación cúbica

Coeficiente de Dilatación Cúbica Es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de volumen igual a la unidad, al elevar su temperatura un grado Celsius. Equivale al triple del coeficiente de dilatación lineal. Así: β = Coeficiente de dilatación cúbica α = Coeficiente de dilatación lineal

Coeficientes de Dilatación Cúbica MATERIAL β (1/°C) Hierro35.1×10 -6 Aluminio44.8×10 -6 Cobre50.1×10 -6 Mercurio182×10 -6 Glicerina485×10 -6 Alcohol Etílico746×10 -6 Petróleo895×10 -6 Acero34.5×10 -6 Vidrio21.9×10 -6

Conociendo el coeficiente de dilatación cúbica de una sustancia, podemos calcular el volumen que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión: Donde: β es el coeficiente de dilatación cúbica en 1/°C V f es el volumen final en metros cúbicos. V 0 es el volumen inicial en metros cúbicos. T f es la temperatura final. T 0 es la temperatura inicial.

Ejercicios Si se tienen 2m 3 de alcohol etílico a 25° y se reduce la temperatura a -1°C. ¿Cuál será el volumen que ocupe? V 0 = 2m 3 T 0 = 25°C T f = -1°C β = 746×10 -6 V f = (2)[1+ 746×10 -6 (-1-25)] V f = (2)( ) V f = m 3

0.5 m 3 de mercurio se encuentran a una temperatura de 0°C. ¿Cuál será su volumen si se aumenta la temperatura a 100°C? V 0 = 0.5m 3 T 0 = 0°C T f = 100°C β = 182×10 -6 V f = (0.5)[1+ 182×10 -6 (0-100)] V f = (0.5)(0.9818) V f = m 3

Capacidad Calorífica Se le conoce como capacidad calorífica a la relación existente entre la aplicación de calor a un cuerpo y la variación de la temperatura de este al aplicar dicho calor. Se expresa: El calor puede estar expresado en calorías, kcal, joule, erg o Btu; y la temperatura en °C, °K, o °F; las unidades de la capacidad calorífica pueden ser en: cal/oC, kcal/oC, J/oC, J/oK, erg/oC, Btu/oF.

Calor Específico El calor específico de una sustancia es igual a la capacidad calorífica dividida entre su masa. Entonces se tiene que: Y como C= ∆Q/ ∆T, entonces se tiene: Donde Ce= Calor específico expresado en cal/g°C ∆Q= Calor aplicado en calorías. m= Masa de objeto, dado en kg. ∆T= Variación en la temperatura en °C

El calor específico se puede entender como la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius. Podemos obtener el siguiente despeje de la formula:

Ejercicios ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 5 kg para que eleve su temperatura de 2°C a 80°C? m= 5Kg ∆T= =40°C Ce=0.056cal/g°C Q= (5)(0.056)(40) Q=11.2 cal