Title: Diapositiva 1
1CALOR
2Conceptos Generales
- CALOR QUÉ ES EL CALOR?
- La palabra calor es un término muy común en
nuestro lenguaje cotidiano. A diario escuchamos
frases comohace mucho calor, está caliente,
etc. Pero qué es el calor? - Es una forma de energía, que generalmente se
asocia con la energía transferida entre distintos
sistemas en el lenguaje cotidiano, cuando
ponemos un cuerpo frente a una fuente de calor
(una cocina, estufa, etc.) decimos que le
aplicamos calor al cuerpo.
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4- Se llama calor a la energía que pasa de un cuerpo
a otro, modificándose la Energía Interna de
ambos. Para que haya transferencia de calor son
precisos dos cuerpos a diferente temperatura o
que uno ejerza un trabajo de rozamiento sobre el
otro. - El calor es la energía que tiene un objeto debida
al movimiento de sus átomos y moléculas que están
constantemente vibrando, moviéndose y chocando
unas con otras. Cuando añadimos energía a un
objeto, sus átomos y moléculas se mueven más
deprisa, incrementando su energía de movimiento o
calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo
de calor porque sus átomos se están moviendo. - La materia está compuesta de átomos y moléculas
(que son grupos de átomos) y la energía hace que
los átomos y las moléculas estén en constante
movimiento - rotando alrededor de si mismas,
vibrando o chocándose unas con otras. - El movimiento de los átomos y moléculas crea una
forma de energía llamada calor o energía térmica,
que está presente en todo tipo de materia.
Incluso en los vacios más frío de espacio hay
materia que posee calor, muy pequeño pero
medible.
5- Pero de dónde proviene esta energía?
- en realidad, el calor es una forma de
movimiento que lleva energía asociada. Y las
partículas en movimiento de las que estamos
hablando son los átomos y moléculas que componen
todos los objetos que nos rodean, por ejemplo,
animales, aire, plantas, estrellas y hasta
nosotros mismos. - Un ejemplo claro es el agua. A bajas
temperaturas, el movimiento de las moléculas del
agua, es decir su agitación térmica, es muy bajo,
apenas vibran y se mantienen inmovilizadas en un
sólido el hielo. - Al aumentar la temperatura, la agitación térmica
comienza a aumentar y las moléculas van
adquiriendo más energía y comienzan a alejarse un
poco entre sí aumentando su movimiento, lo que
obtenemos es un líquido el agua líquida.
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7- La energía puede presentarse de muy diferentes
formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos
de energía pueden convertirse en calor. La
energía electromagnética (luz), la electrostática
(o eléctrica), la mecánica, la química, la
nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar
una sustancia haciendo que se incremente la
velocidad de sus moléculas. - Si ponemos energía en un sistema éste se
calienta, si quitamos energía se enfría. Por
ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a
saltar para entrar en calor. - Estos son algunos algunos ejemplos de los
diferentes tipos de energía que pueden
convertirse en energía térmica (calor).
8 La energía mecánica se convierte en energía
térmica siempre que botamos una pelota. Cada vez
que la pelota rebota en el suelo parte de la
energía de su movimiento (energía cinética) se
convierte en calor, haciendo que la pelota cada
vez rebote menos. A continuación un ejemplo
Imagen térmica infrarroja de una pelota de tenis
antes (izquierda) y después (derecha) de ser
golpeada por la raqueta.
9- QUE ES CALORÍA?
- Es la cantidad necesaria de CALOR para subir la
temperatura de 1 gramo de agua en 1ºC (de 14,5º a
15,5ºC, a presión atmosférica). La kilocaloría
(símbolo Kcal) es igual a 1000 cal. Una caloría
es equivalente a 4,1868 J. - Una vez demostrado que el calor es una forma de
energía se halló su equivalencia con otras
unidades que surgieron del estudio de la energía
mecánica.
10- El calor específico de una sustancia o
sistema termodinámico es una magnitud física que
se define como la cantidad de calor que hay que
suministrar a la unidad de masa del sistema
considerado para elevar su temperatura en una
unidad (kelvin o grado Celsius) a partir de una
temperatura dada en general, el valor del calor
específico depende de dicha temperatura inicial.
Se la representa con la letra (minúscula). - En forma análoga, se define la capacidad
calorífica de una sustancia o sistema
termodinámico como la cantidad de calor que hay
que suministrarle para elevar su temperatura en
una unidad kelvin o grado Celsius) a partir de
una temperatura dada. Se la representa con la
letra (mayúscula). - Obviamente, el calor específico es la capacidad
calorífica específica, esto es c C / m
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12(No Transcript)
13(No Transcript)
14(No Transcript)
15Cómo se propaga el calor?
16Conducción
- Entregamos o quitamos CALOR poniendo en contacto
dos o más elementos.
Algunos ejemplos?
17Convección
18Radiación
19(No Transcript)
20(No Transcript)
21(No Transcript)
22Que es la Termodinámica?
- La termodinámica es una parte de la física que
estudia las relaciones existentes entre los
fenómenos dinámicos y los caloríficos. - Trata de la transformación de la energía mecánica
en calor y del calor en trabajo. También describe
y relaciona las propiedades físicas de sistemas
macroscópicos de materia y energía. - La termodinámica estudia los sistemas que se
encuentran en equilibrio. Esto significa que las
propiedades del sistema típicamente la presión,
la temperatura, el volumen y la masa son
constantes. - Un concepto esencial de la termodinámica es el de
sistema macroscópico, que se define como un
conjunto de materia que se puede aislar
espacialmente y que coexiste con un entorno
infinito e imperturbable. El estado de un sistema
macroscópico en equilibrio puede describirse
mediante propiedades medibles como la
temperatura, la presión o el volumen, que se
conocen como variables termodinámicas. Es posible
identificar y relacionar entre sí muchas otras
variables (como la densidad, el calor específico,
la compresibilidad o el coeficiente de expansión
térmica), con lo que se obtiene una descripción
más completade un sistema y de su relación con
el entorno. - Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado
de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un
proceso termodinámico.
23Calorimetría. Capacidad calorífica y calor
específico
- En un sentido amplio, la calorimetría se
desarrolló históricamente como una técnica
destinada a fabricar aparatos y procedimientos
que permitieran medir la cantidad de calor
desprendida o absorbida en una reacción mecánica,
eléctrica, química o de otra índole. Esta
disciplina, encuadrada dentro de la
termodinámica, se ha especializado sobre todo,
con el paso del tiempo, en la determinación del
calor específico de los cuerpos y los sistemas
físicos.
24CAPACIDAD CALORÍFICA
- La capacidad calorífica de un cuerpo es razón
de la cantidad de energía calorífica transferida
a un cuerpo en un proceso cualquiera por su
cambio de temperatura correspondiente, es decir,
es la energía necesaria para aumentar 1 K su
temperatura, (usando el S.I.). Indica la mayor o
menor dificultad que presenta dicho cuerpo para
experimentar cambios de temperatura bajo el
suministro de calor.
25- Para medirla bajo unas determinadas condiciones
es necesario comparar el calor absorbido por una
sustancia (o un sistema) con el incremento de
temperatura resultante. La capacidad calorífica
viene dada por -
26- Donde
- C es la capacidad calorífica, que en general será
función de las variables de estado. - Q es el calor absorbido por el sistema
- es la variación de la temperatura.
- Se mide en unidades del S.I.
- joules/K (o también el cal/C)
27Ejemplo
- Rumford, taladrando tubos de metal para construir
cañones, se dio cuenta de que cuanto más roma
estaba la broca más calor se desprendía.
28- La capacidad calorífica es un valor
característico de los cuerpos, y está relacionado
con otra magnitud fundamental de la calorimetría,
el calor específico.
29- Si el calor estuviera retenido en l cuerpo
impregnándolo saldría más cuanto más se
desmenuzara la materia en virutas pero no era
así, era justo al revés. (Benjamín Thomson
Conde Rumford). - El calor se generaba al rozar la broca con el
metal! La energía cinética de la broca se
transformaba en calor!
30Calor Especifico
- El valor de la capacidad calorífica por unidad de
masa se conoce como calor específico. En términos
matemáticos, esta relación se expresa como - donde c es el calor específico del cuerpo, m su
masa, C la capacidad calorífica, Q el calor
aportado y DT el incremento de temperatura. El
calor específico es característico para cada
sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide
en julios por kilogramo y kelvin (J/(kgK)). A
título de ejemplo, el calor específico del agua
es igual a - Del estudio del calor específico del agua se
obtuvo, históricamente, el valor del equivalente
mecánico del calor, ya que
31Calorimetrìa
- La determinación del calor específico de los
cuerpos constituye uno de los fines primordiales
de la calorimetría. - El procedimiento más habitual para medir calores
específicos consiste en sumergir una cantidad del
cuerpo sometido a medición en un baño de agua de
temperatura conocida. Suponiendo que el sistema
está aislado, cuando se alcance el equilibrio
térmico se cumplirá que el calor cedido por el
cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a
la inversa.
32(No Transcript)
33- Como la energía calorífica cedida ha de ser igual
a la absorbida, se cumple que - siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor
específico, T la temperatura inicial del cuerpo,
ma la masa de agua, ca el calor específico del
agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
temperatura final de equilibrio. Todos los
valores de la anterior expresión son conocidos,
excepto el calor específico del cuerpo, que puede
por tanto deducirse y calcularse de la misma.
34Calor específico de los gases
- En el caso de los gases, ha de distinguirse entre
calor específico a volumen constante (cv) y a
presión constante (cp). Por el primer principio
de la termodinámica, y dado que el calentamiento
de un gas a volumen constante no produce trabajo,
se tiene que
35- En el caso particular de gases diluidos, la
vinculación entre el calor específico a presión y
a volumen constante sigue la llamada relación de
J. R. Mayer (1814-1878) - siendo Nm el número de moles por unidad de masa y
R la constante universal de los gases perfectos.
36Tabla de calores específicos
37Poder calorífico
- Se llama poder calorífico al calor que se libera
en el proceso de combustión de un cuerpo, llamado
combustible. El poder calorífico se mide como la
cantidad de calorías o kilocalorías que se
desprenden en la combustión de 1 kg de masa del
material combustible.
38Tabla de poderes caloríficos
39- Como la energía calorífica cedida ha de ser igual
a la absorbida, se cumple que - siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor
específico, T la temperatura inicial del cuerpo,
ma la masa de agua, ca el calor específico del
agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
temperatura final de equilibrio. Todos los
valores de la anterior expresión son conocidos,
excepto el calor específico del cuerpo, que puede
por tanto deducirse y calcularse de la misma
40- El calor es por lo tanto una forma de energía.
Es la energía calorífica. Un inglés llamado
J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades
de trabajo. La energía puede presentarse puede
presentarse de muy diferentes formas y puede
cambiar de una forma a otra.
41APLICACIÓN EN PREVENCIÓN
- En esta oportunidad ejemplificaremos la
utilidad de la capacidad calorífica en
trabajadores que laboran en frigoríficos, ya que
al estar expuestos a temperaturas bajo 0 C deben
usar trajes térmicos especialmente diseñados con
la finalidad de guardar y mantener el calor, ya
que de no tener estos implementos ciertamente
estos trabajadores se verían expuestos a
hipotermia.
42- Tema Capacidad Calorífica
43 La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de
la cantidad de energía calorífica transferida a
un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio
de temperatura correspondiente. En una forma
menos formal es la energía necesaria para
aumentar 1 K su temperatura, (usando el SI).
Indica la mayor o menor dificultad que presenta
dicho cuerpo para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor.
44Puede interpretarse como una medida de inercia
térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su
magnitud depende de la cantidad de material en el
objeto por ejemplo La capacidad calorífica del
agua de una piscina olímpica será mayor que la de
una cucharadita. Al ser una propiedad
extensiva, la capacidad calorífica es
característica de un objeto en particular, y
además depende de la temperatura y posiblemente
de la presión.
45 La capacidad calorífica no debe ser confundida
con la capacidad calorífica específica o calor
específico el cual es la propiedad intensiva que
se refiere a la capacidad de un cuerpo para
almacenar calor, y es la razón de la capacidad
calorífica entre la masa del objeto. El calor
específico es una propiedad característica de las
sustancias y depende de las mismas variables que
la capacidad calorífica.
46Medida de la Capacidad Calorífica
Para medir la capacidad calorífica bajo unas
determinadas condiciones es necesario comparar el
calor absorbido por una sustancia (o un sistema)
con el incremento de temperatura resultante. La
capacidad calorífica viene dada por Donde C
es la capacidad calorífica, que en general será
función de las variables de estado. Q es el
calor absorbido por el sistema. ?T la variación
de temperatura. Se mide en unidades del SI
joules/K (o también el cal/ºC).
47 La capacidad calorífica (C) de un sistema físico
depende de la cantidad de sustancia o masa de
dicho sistema. Para un sistema formado por una
sola sustancia homogénea se define además el
calor específico o capacidad calorífica
específica c a partir de la relación Donde c
es el calor específico o capacidad calorífica
específica. m la masa de sustancia considerada.
48Planteamiento formal de capacidad calorífica
Sea S un sistema termodinámico en el estado B.
Se define la capacidad calorífica Cc asociada a
un proceso cuasi estático elemental c que parte
de B y finaliza en el estado B' como el límite
del cociente entre el calor Q absorbido por S y
el incremento de temperatura ?T cuando el estado
B' tiente al inicial B. La capacidad calorífica
es, de este modo, una variable termodinámica y
está perfectamente definida en cada estado de
equilibrio de S.
49- Cambio de estado de un sistema debido a Calor y
Trabajo - Los cambios de estado en un sistema son
producidos por interacciones con el entorno o
medio a través del calor y del trabajo, que son
dos distintos modos de la transferencia de
energía.
50- Calor
- El calor es una forma de transferencia de
energía debido a la diferencia de temperatura. El
calor, al igual que el trabajo, se considera en
termodinámica como energía en tránsito para
separa a un sistema de su entorno. - 1. La transferencia de calor puede alterar el
estado del sistema - 2. Los cuerpos no contienen'' calor el calor
es energía en transito y se identifica mientras
ésta pasa a través de los límites del sistema - 3. La cantidad de calor necesaria para ir de un
estado a otro es dependiente de la trayectoria - 4. Los procesos adibáticos son aquellos en los
que no se transfiere calor.
51Leyes de la Termodinámica
- Las leyes o principios de la termodinámica,
descubiertos en el siglo XIX a través de
meticulosos experimentos, que determinanla
naturaleza y los límites de todos los procesos
termodinámicos. - Los principios de la termodinámica tienen una
importancia fundamental para todas las ramas de
la ciencia y la ingeniería, y son
52Ley cero de la Termodinámica
- Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo,
comparten una determinada propiedad. Esta
propiedad puede medirse, y se le puede asignar un
valor numérico definido. Una consecuencia de ese
hecho es el principio cero de la termodinámica,
que afirma que si dos sistemas distintos están en
equilibrio termodinámico con un tercero, también
tienen que estar en equilibrio entre sí. - Esta propiedad compartida en el equilibrio es la
temperatura.Si uno de estos sistemas se pone en
contacto con un entorno infinito situado a una
determinada temperatura, el sistema acabará
alcanzando el equilibrio termodinámico con su
entorno, es decir, llegará a tener la misma
temperatura que éste.
53Primera Ley de la Termodinámica
- También conocida como principio de la
conservación de la energía, establece que si se
realiza trabajo sobre un sistema, la energía
interna del sistema variará. La diferencia entre
la energía interna del sistema y la cantidad de
energía es denominada calor. Fue propuesto por
Antoine Lavoisier. - En otras palabras La energía no se crea ni se
destruye sólo se transforma. - La ecuación general de la conservación de la
energía es la siguiente -
- E entra -
Esale ?E sistema
54Segunda Ley de la Termodinámica
- La cantidad de entropía de cualquier sistema
aislado térmicamente tiende a incrementarse con
el tiempo. Más sencillamente, cuando una parte de
un sistema cerrado interacciona con otra parte,
la energía tiende a dividirse por igual, hasta
que el sistema alcanza un equilibrio térmico. - El segundo principio impone una condición
adicional a los procesos termodinámicos. No basta
con que se conserve la energía y cumplan así el
primer principio. Una máquina que realizara
trabajo violando el segundo principio se
denomina, móvil perpetuo de segunda especie, ya
que podría obtener energía continuamente de un
entorno frío para realizar trabajo en un entorno
calientesin costo alguno. A veces, el segundo
principio se formula como una afirmación que
descarta la existencia de un móvil perpetuo de
segunda especie.
55Tercera Ley de la Termodinámica
- El tercer principio de la termodinámica afirma
que el cero absoluto no puede alcanzarse por
ningún procedimientoque consta de un número
finito de pasos. Es posible acercarse
indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se
puede llegar a él. - Es importante recordar que los principios o leyes
de la Termodinámica son sólo generalizaciones
estadísticas, válidas siempre para los sistemas
macroscópicos, pero inaplicables a nivel
cuántico. Maxwell ejemplifica cómo puede
concebirse un sistema cuántico que rompa las
leyes de la Termodinámica. - Asimismo, cabe destacar que el primer principio,
el de conservación de la energía, es la más
sólida y universal de las leyes de la naturaleza
descubiertas hasta ahora por la ciencia.
56Aplicaciones de la Termodinámica
- En la construcción de edificaciones, en especial
de las estructuras metálicas se tiene que tomar
en cuenta sus propiedades al dilatarse o
contraerse con los cambios de temperatura del
ambiente. - En el estudio de los cambios de fase de las
diferentes sustancias. - En la construcción de máquinas térmicas, por
ejemplo motores que funcionan con combustible,
refrigeradoras
57Aplicación como medio de transporte para mejoras
del medio ambiente a través de globo de aire.
Todos sabemos que el aire caliente es más
ligero que el aire frío y que este último es más
pesado. Para hacernos una idea, decimos que un
metro cúbico de aire pesa unos 28 gramos, si lo
calentamos con un quemador a 100 grados
Fahrenheit este aire pesará 7 gramos menos. Por
esa razón cada pie cúbico de aire puede llevar 7
gramos. Esta cantidad no es mucho y por esa razón
los globos tienen proporciones tan grandes ya que
deben generar el volumen en pies necesarios para
levantar el peso de la tripulación y pasajeros.
Para levantar 1.000 libras necesitaremos 65.000
pies cúbicos de aire caliente. El globo se
llena en primer lugar con aire frío y a
continuación ese mismo aire se aumenta de
temperatura con la ayuda de un quemador.
Un globo de aire caliente utiliza la propiedad
de que el aire caliente a la presión atmosférica
es menos denso que el aire más frío a la misma
presión. La fuerza de empuje es la diferencia
entre el peso del aire caliente y el de un
volumen igual al del aire más frío que lo rodea.
Si el volumen del globo es 500 m3 y el aire
que lo rodea esta a 0 ºC, cuál ha de ser la
temperatura del aire en el globo para elevar una
masa total de 200 Kg?. Maire 28,8 g/mol.
(Rta 396,25 ºK)