3.calor

10 de enero de 2012

1

Dr. Segundo Morocho C.

CONCEPTOS GENERALES

El calor es una forma de manifestación de la energía.

Los fenómenos en los que interviene el calor tienen una dirección

determinada y además son irreversibles:

El calor fluye siempre del cuerpo “más caliente” al más “frío”

SISTEMA.- Se considera a cualquier objeto, cantidad de materia,

región, etc., seleccionada para su estudio y considerada

independiente de todo lo que le rodea, ALREDEDOR

TEMPERATURA

Calor y temperatura, aunque íntimamente ligados son dos

conceptos diferentes.

10 de enero de 2012Dr. Segundo Morocho C.

2

El nivel es el mismo pero tienen distintas cantidades de agua

Si se hecha más agua el nivel sube, cantidad de calor ytemperatura (o nivel calórico).

Al calentar agua en un recipiente, se le entrega una ciertacantidad de calor y la temperatura o “nivel” del calor sube,como sube el nivel del agua cuando se hecha más en elrecipiente.

Dos cuerpos pueden tener la misma temperatura y distintascantidades de calor

Se considera que el agua hierve a 100°C


3

Un cuerpo puede tener alta temperatura pero poca cantidad de

calor, o,

Un cuerpo puede tener baja temperatura pero más cantidad de

calor

Llama de un fósforo cuya temperatura es 700°C y un recipiente con

agua a 50°C.

EFECTOS DEL CALOR: Todos los cuerpos, sólidos, líquidos o

gaseosos, se dilatan cuando se les entrega calor.

La temperatura es función de la energía cinética trasnacional

promedio de las partículas que conforman el sistema, por

consiguiente es una propiedad independiente del

movimiento del sistema como un todo.

El estímulo que en nosotros produce las sensaciones de caliente o

frío produce también en otros cuerpos modificaciones

observables.


4

TERMOMETROS

Nuestras primeras mediciones de temperaturas las hacemosmediante el sentido del tacto. (Calientes, tibios o fríos)

La piel es nuestro primer termómetro (no diferencia temperaturaspequeñas, da información errónea)

Fría tibia Caliente

La piel no es un buen termómetro


5

Los cambios de temperatura en un sistema están

acompañados por otros cambios físicos como: presión,

longitud, volumen, color, resistencia eléctrica, en base a

estos cambios se construyen los diferentes aparatos para

medir la temperatura

Para establecer la escala se seleccionan dos puntos fijos:


6

ESCALA PUNTO INFERIOR

Congelación del agua

PUNTO SUPERIOR

Ebullición del agua

CENTIGRADA 0ºC 100ºC

FAHRENHEIT 32ºF 212ºF

KELVIN 273 K 373 K

100 212 373

T(°C) T(°F) T(K)

100 180 100

0 32 273

Los termómetros más comúnmente utilizados basan sufuncionamiento en diferentes propiedades


7

Los termómetros de mercurio se fundamentan en la considerabledilatación de este fluido con los aumentos de temperatura. No puedeusarse a temperaturas inferiores a -39°C (sólido) tampoco atemperaturas superiores a 357°C (hierve)

Alcohol (solidifica a -110°C hierve a 76°C)

Tuluol (-100°C y 110°C)

Los termómetros metálicos se basan en el principio de dilatación de doscintas metálicas unidos a lo largo de uno de sus extremos

El pirómetro óptico se basa en el color de las radiaciones emitidas por elcuerpo caliente que se desea medir.

Cuando un cuerpo llega a unos 600°C comienza a emitir luz, primero de uncolor rojo oscuro, luego se va aclarando, se hace rojo brillante, amarilloy por último, cuando la temperatura es muy elevada, blanco (2000°C)

EJEMPLOS:

1. La temperatura normal corporal es 37°C, ¿a qué temperaturas, kelvin yFahrenheit corresponde?

2. Si la temperatura de un cuerpo se eleva en 10°C, ¿cuántos gradosFahrenheit y Kelvin aumenta?


8

DILATACION

Cuando la temperatura de un sistema varía, las dimensionesdel mismo cambian.

La Ec. de las partículas tienden a separarse debido alincremento de la energía cinética media.

DILATACION DE SOLIDOS

El fenómeno de dilatación se da en 3 dimensiones y deacuerdo a la forma lo hará en mayor o menor grado enuna, dos o tres dimensiones


9

DILATACION LINEAL

Ocurre en mayor proporción en una sola dirección

Lo

ΔL

L

α es el coeficiente de dilatación lineal


10

0TLL

0TLL

00 LTLL

)1(0 TLL

0LLL

0TL

L

UNIDADES

SI:

INGLES:

Coeficientes de Dilatación lineal

Consulta bibliográfica…


11

1CmC

m

FpieF

pie

1K

DILATACION SUPERFICIAL

Ocurre en dos de las tres dimensiones.

L0 L

L0’

L’

Base: ΔL = L – L0

Ancho: ΔL’ = L’ – L0’

Área final: A = LL’


12

TAA 210

DILATACION VOLUMETRICA

Dilatación es considerable en las tres dimensiones.

L’

L0’

L0’’

L’’

L0

L

Volumen V= L.L’.L’’


13

TLL 10

TLL 1'' 0

TVV 310

TLL 1´´'' 0

DILATACION DE LIQUIDOS

C nivel final del líquido a T

A nivel inicial del líquido a la T0

B nivel del líquido debido a la dilatación del recipiente

BC = AC +AB

Dilatación verdadera = dilatación aparente + dilatación del recipiente

Se define:

Coeficientes de dilatación para los líquidos y gases:

Consulta Bibliográfica…


14

CAV

TV

VV

0 TVV V10

RELACION DE LA DENSIDAD CON LA VARIACION DE TEMPERATURA

Si: ρ0; V0 a 0°C y ρ; V a una temperatura T, entonces

Sólidos Líquidos

Densidad es inversamente proporcional a la temperatura


15

TC1

0

TV1

0

EJERCICIOS1. Una barra de cobre tiene una longitud de 1,8m cuando

la temperatura es 40°C. Calcule su longitud final paratemperaturas de 120°C y -15°C

2. Calcule el coeficiente de dilatación lineal de una barrade 8m que se dilata 0,45mm, cuando la temperaturaaumenta desde 10°C hasta 50°C

3. Un recipiente cuyo volumen es 40cm3 contiene mercurioa 20°C. Calcule el incremento de volumen de mercuriosi la temperatura se eleva a 80°C. (Coeficiente dedilatación verdadera del mercurio 181,8X10-6°C-1

4. Calcule el coeficiente de dilatación cúbica de un cuerpocuya densidad a 0°C es y a 50°Ces

5. El incremento del volumen de un cuerpo es 0,05%,cuando su temperatura aumenta de 18°C hasta 90°C.Calcule el coeficiente de dilatación lineal del cuerpo


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335907,2 Kgdm33450,2 Kgdm

CALORIMETRIA

El calor es una forma de energía en tránsito que se transfiere de un

cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura

TRANSFERENCIA DEL CALOR

Transporte de energía calórica de un cuerpo a otro generalmente

de menor temperatura

CONDUCCION.- Es la transferencia de calor de una parte del

cuerpo a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro cuerpo que

esta en contacto físico con él, sin desplazamiento apreciable de

las partículas del cuerpo.

CONVECCION.- Es la transferencia de calor de un punto a otro

dentro de un fluido, mediante la mezcla de una porción de un

fluido con otra

RADIACION.- Es la transferencia de calor de un cuerpo a otro que

no se encuentra en contacto con él, por medio del movimiento

ondulatorio a través del espacio


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CAPACIDAD CALORIFICA

Es la razón o cociente entre el calor ganado operdido (ΔQ) y la variación de temperatura (ΔT)

CALOR ESPECIFICO

Es la capacidad calorífica por unidad de masa

El calor total ganado o perdido (ΔQ) por un cuerpoque recibe o transfiere calor a otro hasta alcanzarel equilibrio térmico, se conoce como calor sensiblemientras no ocurra un cambio de estado


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T

QC

m

CCe

TmCeQ

UNIDADES DE CALORSe puede medir en unidades de energía (J).

Pero se acostumbra utilizar la caloría: cantidadde calor necesaria para elevar de 14,5°C a15,5°C la temperatura de 1g de agua pura

Otra unidad de calor es: la Kilocaloría,

1Kcal = 1000cal = 4186J

1cal = 4,186J

BTU: Cantidad de calor necesaria para elevar latemperatura de 1lb de agua en 1°F


19

UNIDADES DE CALOR ESPECÍFICOCGS:

INGLES:

El calor específico del agua:

Calor específico de las sustancias:

Consulta bibliográfica


20

Tm

QCe

Tm

QCe

CKg

KcalCe 1

Cg

cal

Flb

BTU

Cg

cal1

KKg

J4186

PRINCIPIOS DE CALORIMETRIA

1.- Cuando varios cuerpos intercambian energía calorífica,la cantidad de calor ganado por unos es igual a lacantidad de calor perdido por otros

2.- La cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo(ΔQ) es proporcional a la variación de temperatura (ΔT)

ΔQ = ΔT

3.- La cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo(ΔQ) es proporcional con la masa (m)

ΔQ = m


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BA QQ

4. Cuando varios cuerpos con temperaturas diferentesestán en contacto, la energía calorífica se desplazade los cuerpos de mayor temperatura a los de menortemperatura, hasta que se produce el equilibriotérmico (igual temperatura para todos)

5. La cantidad de calor sensible recibida por un cuerpopara elevar X° su temperatura es igual a la cantidadde calor cedida por el cuerpo para disminuir sutemperatura los mismos X°

6. La cantidad de calor recibida por un cuerpo parafundirse (evaporarse) totalmente es igual a lacantidad de calor cedida por el mismo paracongelarse (condensarse) totalmente.


22

PRINCIPIOS DE CALORIMETRIA

CALORIMETRO (Vaso térmico)

Sistema aislado térmicamente. Constituido por dos vasosseparados por un material aislante (aire, lana de vidrio, espumaflex o vacío). Dispone de un agitador con material aislante, seutiliza siempre acompañado de un termómetro.

Todos los elementos constituyentes del calorímetro determinan queun sistema que transfiera calor entre sus componentes en elvaso interno esté perfectamente aislado.

EJERCICIOS.

1. Calcule las capacidades caloríficas de 1cm3 de agua, cobre yplomo

2. Un pedazo de plomo de masa 2x10-3Kg con una velocidad dequeda en reposo después de chocar con otro cuerpo.

Calcule la elevación de temperatura por la conversión de energíacinética en calorífica

3. ¿Qué cantidad de calor deben recibir 10g de mercurio para pasarde 20°C a 50°C y qué cantidad de calor deben ceder los 10g demercurio para enfriarse nuevamente a 20°C?


23

1350ms

4. Se tienen 200ml de un líquido de densidad a70°C en un calorímetro de 400g y cuyo ,se añaden 60ml del mismo líquido a 15°C y latemperatura final registrada una vez alcanzado elequilibrio térmico es 58°C. Determinar el Ce del líquido.

5. Un calorímetro de cobre cuya masa es 0,3Kg contiene0,5Kg de agua, a la temperatura de 15°C. Se deja caerdentro del calorímetro una muestra de 0,560Kg a latemperatura de 100°C; la temperatura final del conjuntoes 22,5°C. Calcule el calor específico de la muestra.

6. Para elevar la temperatura de 5Kg de agua de 20°C a30°C, se calienta una barra de hierro de 2Kg y se dejacaer en el agua. Calcule la temperatura inicial de la barra.

7. Calcule la temperatura final de la mezcla, si un cuerpo dealuminio de 20g a 100°C ( ) se introduce enun calorímetro de cobre ( ) cuya masa es200g y contiene 100g de agua ( ) a 10°C


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315,1 gcm11ºlg21,0 CcaCe

119,920 KJKgCe114,393 KJKgCe

114186 KJKgCe

CALOR LATENTE

CALOR DE FUSION

Cantidad de calor por unidad de masa que esnecesario suministrar a una sustancia que se hallaen su punto de fusión para convertirlacompletamente en líquido a la misma temperatura

CALOR DE VAPORIZACIÓN

Cantidad de calor por unidad de masa que debesuministrarse a una sustancia en su punto deebullición para convertirla por completo en gas a lamisma temperatura


25

m

QL

f

f

m

QL v

v

Absorbe energía

Sublimación

Fusión Vaporización

Solificación Condensación

Sublimación regresiva

Libera energía

Si un gas se condensa devuelve al ambiente una cantidad decalor igual a la consumida para producir la vaporización


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GAS

LIQUIDO

SOLIDO

Calor de condensación = calor de vaporización

Cuando un líquido se solidifica (se enfría hasta latemperatura de fusión, cede el calor de solidificación

Calor de fusión = calor de solificación

Punto de fusión: Es la temperatura a la cual puedencoexistir tanto la fase sólida como la líquida

Ejemplo: Vaso que contiene agua y hielo a 0°C

Tabla con: Lf, Tf, Lv, Teb; para distintos materiales

Consulta bibliográfica


27

EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

Joule estableció que el trabajo realizado esdirectamente proporcional al calor generado alfrotar dos cuerpos entre sí

j es el equivalente mecánico del calor


28

jQW

cal

Jj 18,4

T

100°C

0°C


29

ΔQ

TmCeQ

TmCeQ

TmCeQ

mLQ f

mLQ V

EJERCICIOS

1. Un calorímetro de aluminio de 100g contiene 200gde agua a 30°C; en estas condiciones se introducen150g de hielo a 0°C. Calcule la masa de hielo fundiday la temperatura final del conjunto

2. En un vaso térmico que contiene un refresco a 25°Cse coloca un cubo de hielo de 15g a -5°C, ¿Cuál esla temperatura final del refresco?, suponiendo que elCe del conjunto vaso térmico-refresco es yla masa inicial del mismo 370g

3. Calcule el calor que se requiere para convertir 20 Kgde hielo a -10°C en vapor de agua. El punto de fusióndel hielo y el punto de ebullición del agua a la presiónde 1atm valen respectivamente 0°C y 100°C


30

11ºlg35,0 Cca

EJERCICIOS

4. Sobre un bloque de hielo a 0°C se coloca un pedazode hierro de 2Kg que tiene una temperatura de650°C. Calcule la masa de hielo fundida si todo elcalor cedido por el hierro sirve para este propósito

5. Calcular la energía que hay que suministrarle a 200gde cobre a la temperatura de fusión 1093°C parafundirlo

6. Calcular la energía que hay que darle a 200g decobre a 903°C para que su temperatura se eleve a1113°C (calor específico del cobre entre 900°C y1083°C es 0,126cal/g°C y del cobre líquido es0,101cal/g°C)

7. Calcular la energía necesaria para elevar latemperatura de 150g de hielo de -10°C hasta 120°Csuponiendo la presión igual a la atmosférica


31

EJERCICIOS

8. Una cantimplora de aluminio cuya masa es 500g contiene 750g

de agua y 100g de hielo. Se deja caer la cantimplora desde un

avión a tierra. Después de la caída, se encuentra que la

temperatura de la cantimplora es 25°C. Suponiendo que durante

el impacto no se comunica energía al suelo, cuál será la

velocidad de la cantimplora un instante antes de su aterrizaje

9. Un automóvil cuya masa es 100Kg marcha a una velocidad

de 3m/s ¿Cuántas Kcal se producen en los frenos cuando

se detiene?

10. Una pieza de fundición cuya masa es 50Kg es sacada de un

horno en el que su temperatura es 500°C e introducida en un

tanque que contiene 400Kg de aceite a la temperatura de 25°C.

La temperatura final es 30°C. El calor específico del aceite

0,5Kcal/Kg °C ¿Cuál es el calor específico de la fundición?.

Despréciense la capacidad calorífica del tanque y todas las

pérdidas caloríficas.


32

EJERCICIOS

11. Un calorímetro contiene 500g de agua y 300g dehielo, todo ello a la temperatura de 0°C. Se toma unbloque metálico de un horno, cuya temperatura es240°C y se deja caer rápidamente dentro delcalorímetro resultando que se produce exactamentela fusión de todo el hielo. ¿Cuál sería la temperaturafinal del sistema si hubiera sido doble la masa delbloque?. Despréciense las pérdidas caloríficas delcalorímetro, así como su capacidad calorífica.

12. Un vaso cuya capacidad calorífica es despreciablecontiene 500g de agua a la temperatura de 80°C.¿Cuántos gramos de hielo a la temperatura de -20°Chan de dejarse caer dentro del agua para que latemperatura final del sistema sea de 50°C?


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EJERCICIOS

13. Se dejan caer cubos de hielo a 0°C en un vaso quecontiene agua salada a 0°C ¿qué ocurre con el calorque abandona el agua salada cuando su temperaturadesciende?

14. Hallar la temperatura resultante de la mezcla de150g de hielo a 0°C y 300g de agua a 50°C

15. Una caldera de vapor es de acero tiene 400Kg demasa y contiene 200Kg de agua. Suponiendo quesolo el 70% del calor comunicado se emplea encalentar la caldera y el agua hallar el número decalorías necesarias para elevar la temperatura delconjunto desde 5°C a 85°C. El calor específico delacero 0,11 cal/g°C


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EJERCICIOS

16. Un frasco de vidrio cuyo volumen esexactamente 1000cm3 a 0°C se llenacompletamente de mercurio a esta temperatura.Cuando frasco y mercurio se calientan a 100°Cse derraman 15,2cm3 del líquido si elcoeficiente de dilatación del mercurio es0,000182°C-1, calcular el coeficiente dedilatación del vidrio

17. Un eje de acero tiene un diámetro de 10cm a30°C. Calcular la temperatura que deberá existirpara que encaje perfectamente en un agujerode 9,997cm de diámetro. El coeficiente dedilatación lineal del acero vale 11,2x10°C-1


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3.calor

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