TERMOLOGÍA: ESTUDIO DEL CALOR Ing. Nelson Velásquez

Calor Es energía en tránsito. Cuando un cuerpo recibe calor aumenta su energía interna. Cuando un cuerpo pierde calor disminuye su energía interna.

Energía interna Es la sumatoria de las energías cinética y potencial de las moléculas de un cuerpo. Entre mayor es el movimiento de vibración, giro o desplazamiento de las moléculas, mayor es la energía interna.

Energía Interna

Energía Interna

Consecuencias de la Energía Interna El aumento de energía interna lleva en primer término a la dilatación o expansión térmica de los cuerpos. En segundo término, al cambio de estado físico. Sólido → Líquido → Gas → Plasma Aumento de la Energía interna →

Aplicaciones tecnológicas de la expansión térmica o dilatación Espaciado entre estructuras sólidas Termómetros Ensambles a presión Termostatos Caso especial: el hielo flota Envasado y enlatado al vacío de alimentos Buzo de Descartes y submarinos Dilatación

Aplicaciones tecnológicas del cambio de estado Ciclo del agua. Moldeado de sólidos: metales, plásticos, hielo, etc. La refrigeración. Calderas de vapor. Gases envasados. Líquidos y sólidos criogénicos (hielo seco, nitrógeno líquido, etc.) Cambio de estado

PROPAGACIÓN DEL CALOR

Contacto térmico Equilibrio térmico Es la situación entre dos cuerpos que permite que se transfieran calor. Equilibrio térmico Es la situación entre dos cuerpos en contacto térmico en la que no hay intercambio neto de calor.

Temperatura Es la medida de la energía interna y se basa habitualmente en el contacto térmico, equilibrio térmico y la dilatación de los cuerpos.

Propagación del Calor Es la forma en que el calor pasa de un cuerpo a otro.

Conducción Formas de propagación del calor Convección Radiación

Conducción El calor se propaga a través de un medio sólido

Según la capacidad de conducción del calor, los materiales se clasifican en: Conductores Materiales Aislantes

Aplicaciones de la propagación del calor Materiales conductores Hornillas y parrillas Ollas y sartenes Papel aluminio Resistencias Fierro para marcar Cautín para soldar estaño Conducción Materiales aislantes Ropa, abrigos, frazadas Equipo protector Mangos de ollas y sartenes Hieleras y termos Capa aislante de las paredes Capa de grasa subcutánea de mamíferos acuáticos

Convección El calor se propaga a través de un medio fluido (líquido o gas). El fluido se mueve o fluye de la fuente de calor a las porciones frías.

Aplicaciones de la propagación del calor Ocurrencia y predicción del Clima Ventanas en los edificios Calefacción Globos aerostáticos de aire caliente Invernaderos (convección retenida) Ventiladores (convección forzada) Sistemas de enfriamiento (convección forzada) Producción del campo magnético terrestre Convección

Importancia geológica de la convección del magma

RADIACIÓN El calor se propaga en el vacío o sin necesidad de un medio. El calor se propaga por ondas electromagnéticas (principalmente radiación infrarroja). Todo cuerpo con temperatura arriba de cero kelvin emite radiación infrarroja.

Cinturones de Van Allen Son campos magnéticos que provienen del centro ferroso del planeta. Protegen al planeta de la excesiva radiación solar que incineraría la vida sobre la tierra.

Aplicaciones de la propagación del calor Luz y calor Solar Bombillas incandescentes Colores de la ropa según la estación Termómetro de oído Termografías y visión nocturna Frasco de Dewar Protección reflejante de los artefactos espaciales Invernaderos (retención de radiación infrarroja) Efecto invernadero por contaminación Radiación

Escalas para medir Temperaturas Se estudiarán las más conocidas en orden de su aparición: Fahrenheit, Celsius y Kelvin.

Escala Fahrenheit Fue propuesta en 1,709 por Daniel Gabriel Fahrenheit, físico empírico alemán, radicado en Ámsterdam (Holanda) cuando ésta era la capital europea de los instrumentos científicos de precisión. Se dedicó a soplador vidrios (hacía vasos). Pero también fabricó termómetros que funcionaban con agua y con mercurio. Calibró su escala con los siguientes puntos: Una mezcla de hielo + cloruro de amonio: 0° F La temperatura media del cuerpo humano: 96 °F Esta escala es muy utilizada en EE.UU., Gran Bretaña y sus colonias y excolonias.

Escala Celsius Fue propuesta en 1,742 por Anders Celsius, físico y astrónomo sueco. Su idea era simplificar la escala de Fahrenheit sustituyéndola por otra basada en 100 grados en su calibración, por lo que en un principio se le llamó “centígrada”. Otro aporte es que utilizaba el agua como sustancia de referencia en la calibración. Calibró su escala con los siguientes puntos: Punto de congelación del agua/fusión del hielo: 0° C Punto de ebullición del agua/condensación del vapor: 100 °C Esta escala es muy utilizada en la mayoría de países, sobretodo en los que utilizan medidas del sistema métrico decimal.

Escala Kelvin o Absoluta Fue propuesta en 1,709 por William Thomson, físico y matemático inglés, quien destacó por sus importantes trabajos en el campo de la termodinámica y la electrónica gracias a sus profundos conocimientos de análisis matemático, entre otros, por el descubrimiento y cálculo del cero absoluto, temperatura mínima alcanzable por la materia en la cual las partículas de una sustancia quedan inertes y sin movimiento. El cero absoluto se encuentra en los -273,15° Celsius, que se convirtió en el cero de su escala. Un grado kelvin es igual a un grado Celsius. Construyó termómetros de gas y su descubrimiento lo realizó calculando los coeficientes de dilatación de distintos gases. Esta escala es utilizada principalmente por el sistema internacional de unidades y en el mundo científico.

TERMODINÁMICA Es la parte de la física que estudia la transformación de calor en trabajo y viceversa. Se rige por 4 Leyes que inciden no sólo en los fenómenos térmicos sino en el funcionamiento del universo entero y tienen grandes implicaciones para el ser humano.

1ra. Ley de la Termodinámica La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma (o se transfiere). Un cambio en la energía interna de un sistema se cuantifica por el calor y el trabajo transferidos al mismo.

1ra. Ley de la Termodinámica La existencia de un cuerpo implica el contenido de energía en él. Pero, además, implica una energía adicional para abrirse un espacio qué ocupar. La sumatoria de ambas energías mínimas esenciales se llama Entalpía.

2da. Ley de la Termodinámica La energía fluye espontáneamente desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura. Ninguna transferencia o transformación de energía es 100% eficiente, siempre se produce un residuo no utilizable en forma de energía térmica (entropía).

2da. Ley de la Termodinámica Es más eficiente convertir trabajo en calor que calor en trabajo, debido a la entropía. La entropía del universo aumenta en todos los procesos naturales y lleva lenta pero progresivamente al desorden (o a un orden no deseado).

2da. Ley de la Termodinámica En la sucesión de los procesos naturales y artificiales se convertirán todas las formas de energía en calor, debido a la entropía.

3ra. Ley de la Termodinámica Puede establecerse un mínimo para la energía interna, pero no un máximo. La entropía para un sistema a cero kelvin es cero o el mínimo posible.

Ley Cero de la Termodinámica La transferencia neta de energía entre dos cuerpos a la misma temperatura y en contacto térmico, es cero. A consecuencia de la 2da. Ley y la ley cero, el universo está condenado a la llamada “Muerte Térmica”.