viernes, 20 de marzo de 2015

NATURALEZA DEL CALOR

CALOR:
El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloria (cal). La equivalencia es:
El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.
UNIDADES DE MEDIDA DEL CALOR:
1 cal = 4,184 J  ó  1 J = 0,24 cal



TEMPERATURA:

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calorque este contiene o puede rendir).
La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.


En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.
En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.





EJEMPLOS:
El calor se trasmite. Ejemplos: 
-Calor que nos suministra el sol en una hora. 
-Calor que expele un motor en marcha 
-Calor que suministra una cocina en 30 minutos 

Temperatura (velocidad promedio de las moléculas)... 
Ejemplos: 
-Temperatura media de mi cuerpo 
- Temperatura de una piedra al sol. 
- Temperatura de la cocina (disco) a los 3 minutos exactos de conectado.
EJERCICIOS:

MEDIDA DE LA TEMPERATURA:


Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura.
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.
Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente:
oK = 273.15 + oC        oC = (5/9)*(oF-32)        oF = (9/5)*oC+32


oF
oC
oK
El agua hierve a
212
100
373
Temperatura Ambiente
72
23
296
El agua se congela a
32
0
273
Cero Absoluto
-460
-273
0


















EJERCICIOS:
En un vaso de cobre, que pesa 1.5 kg, contiene un bloque de hielo de 10 kg a la temperatura de -10 ºC, se inyecta 5 kg de vapor de agua a 100 ºC.
·         Determinar el estado de la mezcla.
·         Determinar la variación de entropía
Calor específico del cobre 397 J/(kg·K). Calor de fusión del hielo 334 400 J/kg. Calor específico del agua 4180 J/(kg·K). Calor específico del hielo 2090 J/(kg·K).Calor de licuefacción del vapor del agua 2 257 200 J/kg.
Solución
Calor necesario para convertir 10 kg de hielo a -10 ºC en agua a 100 ºC
10·2090·10+10·334 400+10·4180·100=7 733 000
Calor necesario para elevar la temperatura de 1.5 kg de cobre de -10 ºC a 100 ºC
1.5·397·110=65 505
Total: 7 733 000+65 505=7 798 505 J
Masa de agua condensada
m=7 798 5052 257 200=3.45 kg
El resto 1.54 kg queda como vapor.





LA DILATACIÓN TERMICA:
En el ámbito de la física, la dilatación es el aumento de la longitud, la superficie o el volumen de un cuerpo a causa de la separación de sus moléculas por la disminución de su densidad. La dilatación térmica, en este sentido, se produce ante el aumento de temperatura de un cuerpo, como cuando se expanden las vías de un ferrocarril.
Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.
2. las vigas de los puentes 
3. el mercurio contenido en un termometro . se contrae o dilata 
4.las ruedas de los coches , el aire que contiene si aumenta mucho la temperatura ganan presion 
5. las puertas de una casa. dependiendo de la temperatura dilatan un poco y se nota al cerrar que queda muy justa 
6. un vaso al que hechamos agua hirviendo rapidamente, puede estallar , esto se debe a que las paredes interiores que estan en contacto con el agua dilatan y la exterior . no le da tiempo. 
7.una botella que se pone a baño maria y luego se cierra rapidamente. como consecuencia , se contrae toda. hemos dilatado el gas interior y luego el exterior tiene una mayor presion. 
8. las baldosas , terrazo, del piso que se han puesto demasido juntas y resquebrajan, esto sucede mas con los suelos de marmol , ya que no se dejaba espacio para dilatar 
9.una botella llena de agua que se mete en el congelador , aumenta su volumen 
10.en mecanica los aprietes de prensa , se suelen separar dilatando la pieza exterior con calor 
L=1.20m(1+16*10^-6*66°c)
L=1,2011088m


EJEMPLOS:
1.la vias del tren , que en verano se hacen mas largas 
EJERCICIO:
Una varilla de cobre tiene una longitud de 1.20m a una temperatura ambiente de 18 ·c . ¿cual sera su longitud 84 ·c?.
Solución: L=Lo(1+ ß(Tf-Ti)
L=1.20m(1+16*10^-6*(84°c-18°c))
L=1.20m(1+16*10^-6*66°c)
L=1,2011088m



DILATACIÓN LINEAL[
Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación lineal, designado por αL, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:


            Donde:
α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]
L0 = Longitud inicial
Lf = Longitud final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final


EJEMPLOS:
un amplio
rango de temperaturas, que el cambio de longitudes
Δl , es proporcional al cambio de temperatura Δt y
a la longitud l, de tal manera que podemos escribir:
Δl =α lΔt , donde α es el coeficiente de
expansión lineal. Este coeficiente tiene diferentes
valores para los diferentes materiales y tiene por
unidad l/grado.
O bien,

Δt/l=a Δ t       


Para encontrar la longitud final después de un
cambio de temperatura Δt , escribimos   

dl /l=α dt, e integraremos considerando la longitud l para t=t1
y l' para t=t2, siendo t2-ti=
Δt


DILATACIÓN SUPERFICIAL:
Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo debido a la intervención de un cambio de temperatura.

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicial A0 y temperatura inicial θ0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a A




ΔS = Dilatación superficial
Ai = Área inicial
Δt = Variación en la temperatura
Β = Coeficiente de dilatación superficial.
EJEMPLOS:
"Una lámina de cobre cuya superficie inicial es de 100 cm² a una temperatura de 0°C, incrementa su temperatura hasta 30 °C. ¿cuál será su superficie final ? El coeficiente de dilatación lineal del cobre es: 17 * 10^-6 / ºC 

S2= S1 (1 + ß Δt) en este caso ß = 2 α = 2 * 17 * 10^-6 /ºC = 3.4 * 10^-5 /ºC 
S2 = 100 cm² (1 + 0.000034/ºC * 30ºC ) S2 = 100.1 cm² ¿Cuál será la nueva longitud de la barra?Lf = Lo * ( 1 + α * (Tf -To)) Lf = 230cm * ( 1 + 11.10^-6 1/°C * (360°C - 50°C)) = 230,78cm
V2 = V1 (1 + ß Δt) = 98 cm³ [1 + 7.5 * 10^-5 / ºC * (96-18)ºC ] 
V2 = 98.57 cm³ 


Datos:                                                        



EJERCICIOS:
1.     Una barra de acero (α = 11 X 10-61/°C) con longitud de 230cm y temperatura de 50° C se introduce en un horno en donde su temperatura aumenta hasta los 360 ° C 
DILATACIÓN CUBICA:
En los sólidos, cuando predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en el volumen (ΔV) se denomina dilatación cúbica o volumétrica. Para calcular el volumen final (Vf) en un sólido la fórmula será:
Vf  = Vi .(1 + γ . ΔT)
El coeficiente de dilatación cúbica ( γ ) resulta al ser el triple del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de tres dimensiones largo, ancho y altura, el cálculo es:
γ = 3 . α
EJEMPLOS
"Una esfera de aluminio a temperatura de 18º C posee un volumen de 98 cm³, ¿cuál será su volumen final si su temperatura se eleva hasta los 96º C? El coeficiente de dilatación (ß) del aluminio es 7.5 * 10^-5 / ºC." 
EJERCICIO:
¿cual será el volumen final de una sustancia cuyo coeficiente de dilatación cúbica es de 1.89 x 10-4/ °C, si originalmente tiene una temperatura de 12 °C y un volumen de 130 cm, cuando su temperatura se incrementa hasta 50 °C?



                             
Vf =?                           
β= 1.89 x 10-4/°C                            
To =12°C                                                   
Tf =50°C                                

Fórmula:
Vo =130 cm3



DILATACIÓN LIQUIDA
Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,



EJEMPLOS:
2 Liquido: con cel calor dismiye su volumen, y con el frio se expande. 

EJERCICIOS:
3. Un bulbo de vidrio está lleno con 50 cm3 de mercurio a 18 ºC. Calcular el volumen (medido a 38 ºC) que sale del bulbo si se eleva su temperatura hasta 38 ºC. El coeficiente de dilatación lineal del vidrio es 9 x 10-6 ºC-1, y el correspondiente coeficiente cúbico del mercurio vale 18 x 10-5 ºC-1
Sol. 0.153 cm3












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