1 El calor.. Índice 2 Contenidos (1) 1.- Temperatura. Escalas termométricas. Temperatura Escalas termométricas 2.- Calor. Calor 3.- La transmisión del.

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1 1 El calor.

2 Índice 2 Contenidos (1) 1.- Temperatura. Escalas termométricas. Temperatura Escalas termométricas 2.- Calor. Calor 3.- La transmisión del calor. La transmisión del calor. 3.1. Con cambio de temperatura. Con cambio de temperatura. 3.2. Con cambio de estado. Con cambio de estado. 3.3. Equilibrio térmico. Equilibrio térmico. 4.- La dilatación de los cuerpos La dilatación de los cuerpos

3 Índice 3 Contenidos (2) 5.-. Equivalencia entre calor y trabajo. Equivalencia entre calor y trabajo. 6.- Energía interna Energía interna 7.- Primer principio de la termodinámica. Primer principio de la termodinámica. 8.- Segundo principio de la termodinámica. Segundo principio de la termodinámica. 9.- Máquinas térmicas. Máquinas térmicas.

4 Índice 4 Temperatura (T). Es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media). intensivaEs una magnitud “intensiva”, es decir, no depende de la masa del sistema. Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio térmico). Para medir T se utilizan los termómetros que se basan en la dilatación de los líquidos (normalmente mercurio).

5 Índice 1. ¿Qué energía térmica es mayor: la de una piscina con agua a 20 ºC o la de un vaso de agua a 25 ºC? a) La de la piscina. b) La del vaso de agua. c) Ambas por igual. d) No contienen energía térmica, sino calor. 2. ¿Qué energía térmica media es mayor: la de una piscina con agua a 20ºC o la de un vaso de agua a 25ºC? a) La de la piscina. b) La del vaso de agua. c) Ambas por igual. d) Todas las partículas tienen la misma energía. 3. Completa la siguiente frase: Cuando se calienta un gas a) Aumenta su temperatura, pero no su energía térmica. b) Aumenta su energía térmica, pero no su temperatura. c) Aumentan tanto la temperatura como la energía térmica. d) El producto de su energía térmica por su temperatura se mantiene constante. 5

6 Índice 1. A igualdad de temperatura, al comparar el agua de una piscina y el de un depósito a) la piscina almacena más calor que el depósito. b) la piscina almacena más energía térmica que el depósito. 2. Cuando un cuerpo cede calor a) absorbe frío en su lugar. b) su energía térmica disminuye. 3. Si dos cuerpos de la misma naturaleza y masa poseen la misma temperatura a) los dos almacenan la misma cantidad de calor. b) los dos almacenan la misma cantidad de energía térmica. 4. Respecto a la energía térmica de un cuerpo podemos decir que a) el calor es idéntico, ya que se trata de dos conceptos sinónimos. b) el calor es una variación de esa energía térmica. 6

7 Índice 7 Escalas termométricas. Centígrada (Celsius).(ºC) Es la que usamos normalmente. Usa el “0” el punto de fusión del agua y “100” el punto de ebullición de la misma. Farenheit (ºF). Utilizada en el mundo anglosajón. Usa el “32” el punto de fusión del agua y “212” el punto de ebullición de la misma. 100 ºC equivalen a 180 ºF

8 Índice 8 Escalas termométricas (cont.). Absoluta (Kelvin). (K) Se usa en Química. Usa el “273” el punto de fusión del agua y “373” el punto de ebullición dela misma. Cada ºC equivale a 1 K. Simplemente, la escala está desplazada. 0 K (–273 ºC) es la temperatura más baja posible.

9 Índice 9 Conversión entre escalas. F – 32 C T(abs) – 273 ——— = —— = —————— 180 100 100 F – 32 C F – 32 T(abs) – 273 ——— = —; ——— = —————— 9 5 9 5 C = T (abs) – 273

10 Índice 10 Ejemplo: Un inglés te dice que tiene fiebre porque tiene 104ºF. ¿Cuántos grados centígrados son) ¿Cuántos kelvins? F – 32 C 5·(F – 32) 5·(104 – 32) ——— = —  C = ————— = ————— 9 5 99 C = 40ºC T (abs)313 K T (abs) = C + 273 = 40 + 273 = 313 K

11 Índice 11 Formas de transferencia de calor. Conducción:Conducción: Se da fundamentalmente en sólidos. Al calentar un extremo. Las moléculas adquieren más energía y vibran sin desplazarse, pero comunicando esta energía a las moléculas vecinas. Convección:Convección: Se da fundamentalmente en fluidos (líquidos y gases). Las moléculas calientes adquieren un mayor volumen y por tanto una menor densidad con lo que ascienden dejando hueco que ocupan las moléculas de más arriba. Radiación:Radiación: Se produce a través de ondas electromagnéticas que llegan sin necesidad de soporte material. De esta manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol.

12 Índice 12 Formas de transferencia de calor.

13 Índice EJERCICIOS RESUELTOS ¿Cómo se transmite la mayoría del calor en este caso? 1. El agua de la piscina se enfría durante la noche. a) Por conducción b) Por radiación c) Por convección 2. Mientras funciona el aire acondicionado. a) Por conducción b) Por convección c) Por radiación 3. Al calentar la comida en el microondas. a) Por convección b) Por radiación c) Por conducción 13 4. Dentro de una nube de tormenta a) Por radiación b) Por convección c) Por contacto 5. El calor que recibimos del Sol a) Por convección b) Por radiación c) Por conducción 6. El calor que recibe una sartén de un fogón eléctrico. a) Por convección b) Por conducción c) Por radiación

14 Índice Repasando los conceptos básicos (Hay que rellenar los huecos del siguiente texto) La energía (1)___________ de un cuerpo depende del grado de agitación de las partículas que lo componen. La energía de cada partícula puede ser muy diferente, pero el valor (2)___________ de esta energía se corresponde con la (3)___________ que marcan los (4)___________. El (5)___________ es la forma en que se gana o se pierde energía térmica. La unidad de calor que llamamos (6)___________ es la cantidad de energía que hay que dar a (7)___________ de agua para que su (8)___________ aumente un grado. Cuando dos cuerpos tienen diferente (9)___________, pasará energía del más caliente al más frío hasta que ambos alcancen el (10)___________. Palabras que se pueden utilizar Calor – caloría – equilibrio – medio – temperatura - temperatura temperatura – térmica – termómetros - un gramo 14

15 Índice 15 Calor y temperatura. Cuando un cuerpo recibe calor puede: Aumentar su temperaturaAumentar su temperatura. En este caso, el calor recibido dependerá de: Lo que se quiera aumentar T (  T) De la masa a calentar (m) Del tipo de sustancia (c e = calor específico) Cambiar de estado físico.Cambiar de estado físico. En este caso la temperatura no varía, y el calor recibido dependerá de: De la masa a cambiar de estado (m) Del tipo de sustancia (L f o L v = calor latente de fusión o vaporización) Ambas cosasAmbas cosas.

16 Índice 16 Efecto del calor sobre la temperatura.

17 Índice 17 Cambios de estado

18 Índice 18 Fórmulas del calor Si se produce: Aumento su temperaturaAumento su temperatura: Q = m· c e ·  T Cambio de estado físicoCambio de estado físico: Q F = L F · mQ V = L V · m

19 Índice 19 Equilibrio térmico. Obviamente, si un cuerpo adquiere calor, es porque otro lo cede, de forma que: Q absorbido = – Q cedido Sea A el cuerpo de menor temperatura (absorberá calor) y el B de mayor temperatura (cederá calor). Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (T eq ): m A · c eA · (T eq – T 0A ) = – m B · c eB · (T eq – T 0B ) O también: m A · c eA · (T eq – T 0A ) = m B · c eB · (T 0B –T eq )

20 Índice 20 a) b) Ejemplo: Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120ºC en un recipiente con ½ litro de agua a 18ºC. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro. a) a) m A · c eA · (T eq – T 0A ) = – m B · c eB · (T eq – T 0B ) J J 0,5 kg ·4180 —— (T eq –18ºC) = 0,2 kg ·460 —— (120ºC–T eq ) K·kg K·kg T eq = 22,3ºC Resolviendo la ecuación obtenemos que la temperatura de equilibrio es: T eq = 22,3ºC b) b) Q cedido = m A · c eA · (T eq – T 0A ) = J = 0,2 kg ·460 —— ·(22,3ºC – 120ºC) = –8990 J K·kg 8990 J El signo (–) indica que es cedido. 8990 J

21 Índice 21 Ejemplo: Calcula el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica.(L F = 3,34 ·10 5 J/kg; L V = 2,26 ·10 6 J/kg) El calor total será la suma del necesario para pasar de hielo a –10ºC a hielo a 0ºC (Q 1 ), de fundir el hielo (Q 2 ), de pasar el agua líquida a 0ºC a agua líquida a 100ºC (Q 3 ), de vaporizar el agua (Q 4 ) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110ºC (Q 5 ): Q 1 =m · c e · (T– T 0 ) = 1 kg ·(2,05 kJ/kg·K)·10 K = 20,5 kJ Q 2 =m · L F = 1 kg ·(3,34 ·10 5 J/kg) = 334 kJ Q 3 =m· c e ·(T– T 0 ) = 1 kg·(4,18 kJ/kg·K)·100 K = 418 kJ Q 4 =m · L V = 1 kg ·(2,26 ·10 6 J/kg) = 2260 kJ Q 5 =m · c e · (T– T 0 ) = 1 kg ·(1,96 kJ/kg·K)·10 K = 19,6 kJ Q TOTAL = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 = 20,5 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJ Q TOTAL = 3052,1 kJ

22 Índice 22 Dilatación Lineal:Lineal: l = l 0 ·(1 + ·  T) Superficial:Superficial: S = S 0 ·(1 +  ·  T) Cúbica:Cúbica:V = V 0 ·(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.

23 Índice 23 Ejemplo: Una barra de aluminio mide 45 cm a 20 ºC. ¿Qué longitud en centímetros tendrá si la calentamos hasta 180ºC?. El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 2,5 ·10 –5 ºC –1. l = l 0 ·(1 + ·  T) = 0,45 m·[1 + 2,5 ·10 –5 ºC –1 ·(180ºC – 20ºC)] = l45,0675 cm l = 0,450675 m = 45,0675 cm

24 Índice 24 Dilatación en los gases. Para todos los gases el coeficiente de dilatación cúbica se denomina “  ” y vale “1/273 K –1. Sea T 0 = 0 ºC = 273 K V= V 0 ·[1 + (1/273 K –1 ) ·(T – T 0 )] = V 0 ·[1 + (T /273) K –1 – 1] V · 273 K = V 0 ·T Ley de Chales Gay-Lussac: V V 0 —— = —— T T 0

25 Índice 25 Equivalencia calor-trabajo. A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teoría del “calórico”). Joule demostró que el calor era una forma de energía y calculó la equivalencia entre la caloría (unidad de calor) y el julio (unidad de trabajo-energía). 1 J = 0’24 cal ; 1 cal = 4’18 J

26 Índice 26 Aparato de Joule para transformar trabajo en calor y obtener el equivalente mecánico del calor

27 Índice 27 Energía interna (U) Es la energía total de las partículas que constituyen un sistema. Es igual a la suma de todas las energías de rotación, traslación, vibración y enlace entre los átomos que constituyen las moléculas. extensivaEs una magnitud “extensiva”, es decir, depende de la masa del sistema. Es muy difícil de medir. En cambio es fácil determinar la variación de ésta (  U).

28 Índice 28 Primer principio de la Termodinámica Un sistema pierde energía interna (  U 0) si absorbe calor o el exterior ejerce un trabajo sobre él (compresión).  U = Q + W CALOR Q > 0 Q > 0CALOR Q < 0 TRABAJO W < 0 W < 0TRABAJO W > 0 W > 0 Nota.- Nota.- ¡CUIDADO! En muchos libros aún se considera positivo el trabajo realizado por el sistema, con lo que éstos aún podréis ver  U definido como Q – W. Cuidado: No debe escribirse  Q

29 Índice 29 Trabajo en sistemas gaseosos.    W =  F · dr =  p · S · dr =  – p · dV En el caso de que la presión sea constante (sistemas isobáricos), la integral es inmediata: W = – p ·  V El signo menos se debe al actual criterio de signos que decide que sea negativa toda la energía que salga de un sistema. Si un sistema realiza un trabajo hacia el exterior es porque ha perdido energía.

30 Índice 30 Tipos de procesos.  AdiabáticosAdiabáticos: (Q = 0) No tiene lugar intercambio de calor con el exterior (por ejemplo, un termo)  U = W Isócoros:Isócoros: (V = constante) Tienen lugar en un recipiente cerrado. Como  V = 0  W = 0  Q v =  U Isobáricos:Isobáricos: (p = constante)  U = Q p – p·  V ; U 2 – U 1 = Q p – (p·V 2 – p·V 1 ) U 2 + p·V 2 = Q p + U 1 + p·V 1 Si llamamos H = U + p·V  Q p = H 2 – H 1 =  H Isotérmicos:Isotérmicos: (T = constante)

31 Índice 31 Ejemplo: Una masa de 18 g de agua es transformada en vapor a 101300 Pa y 100ºC convirtiéndose en 30,6 litros de vapor a esta misma presión. Si L V (agua) es 2,26 ·10 6 J/kg, calcula: a) la energía suministrada en forma de calor; b) el trabajo realizado por el sistema; c) la variación de energía interna. a) Q = 40,68 kJ a) Q = m · L V = 0,018 kg ·(2,26 ·10 6 J/kg) Q = 40,68 kJ b) b) El volumen del agua líquida se puede despreciar frente al del gas: 1,8 · 10 –2 L << 30,6 L W –3,1 kJ W = – p ·  V = = –101300 N·m –2 ·(30,6 · 10 –3 m 3 ) = –3,1 kJ c) 37,58 kJ c)  U = Q + W = 40,68 kJ – 3,1 kJ = 37,58 kJ

32 Índice 32 Segundo principio de la Termodinámica. Todo el trabajo que se suministra a un sistema puede almacenarse como calor. No todo el calor suministrado o absorbido por el sistema y que hace aumentar U del mismo, puede recuperarse en forma de trabajoSin embargo, el proceso contrario no es posible: “No todo el calor suministrado o absorbido por el sistema y que hace aumentar U del mismo, puede recuperarse en forma de trabajo” ya que parte del calor se emplea en calentar un foco frío. |W||Q absorbido | – |Q cedido al foco frío |  = ————— =————————————— |Q absorbido | |Q absorbido | También puede darse en tanto por 100.

33 Índice 33 Esquema de una máquina térmica FOCO CALIENTE (T 1 ) FOCO FRÍO (T 2 ) W Q1Q1 Q 1 – Q 2 Q2Q2

34 Índice 34 Máquinas térmicas Las máquinas térmicas son las encargadas de transformar Q en W y tienen un rendimiento inferior al 100 %. Máquina de vapor. Turbina de vapor. Motor de cuatro tiempos. Aspiración o admisión Compresión Explosión. Expulsión. Motor Diesel.

35 Índice 35 Máquina de vapor

36 Índice 36 Turbina de vapor

37 Índice 37 Motor de cuatro tiempos Admisión Compresión Explosión Expulsión 1, Bujías: 2, pistones; 3, correa de transmisión; 4 generador

38 Índice 38 Ejemplo: Una máquina térmica extrae en cada ciclo 30 kJ del foco caliente y suministra 8 kJ al foco frío. Calcula: a) el trabajo que realiza; b) el rendimiento de la máquina. a) a) | W | = |Q absorbido | – |Q cedido al foco frío | = 30 kJ – 8 kJ Trabajo realizado= 22 kJ Trabajo realizado = 22 kJ b) b) |W| |Q absorbido | – |Q cedido al foco frío |  = ————— =————————————— |Q absorbido | |Q absorbido |  0,73  73% |W| 22 kJ  = ————— = ——— = 0,73 ;  = 73 % |Q absorbido | 30 kJ

39 Índice 39 CALOR ESPECÍFICO (a 25 ºC) SUSTANCIAcal/g ºCJ/kg ·K Agua (líquida) 1,004180 Agua (hielo)0,492050 Agua (vapor) 0,471960 Aceite de oliva 0,472000 Aire 0,241010 Aluminio 0,22900 Alcohol etílico 0,592450 Oro 0,03130 Granito 0,19800 Hierro 0,11460 Plata 0,06240 Acero inoxidable 0,12510 Madera 0,421760