Calor y
temperatura
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Transformaciones energéticas.
 En cada proceso o transformación que ocurre en el
universo (en la naturaleza, en la industria, etc.) la
energía puede “convertirse” de un tipo a otro, a este
cambio se le denomina trasformación energética.
 Principio de conservación de la energía (LCE):
“La energía no se puede crear (sacar de la
nada) ni destruir (eliminar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede transformar de
una forma a otra y/o pasar de un cuerpo a
otro”.
Hermann von Helmholtz.
Postdam. Alemania
(1821 – 1894)
2
Sumario Energía.
 En resumen La energía presenta tres propiedades
básicas:
o La energía total de un sistema aislado se conserva.
(Por tanto en el Universo no puede existir creación o
desaparición de energía. La energía total en el universo
es constante (LCE)).
o La energía puede transmitirse (transferirse) de unos
cuerpos (o sistemas materiales) a otros.
o La energía puede transformarse de unas formas a
otras.
Las unidad de la energía en el SI es el Julio(Joule):
1J=1Kg·m2/s2
Otras undidades: Caloria (1cal=0,24J), ergio (1erg=1·10-7Julios)
3
Mecanismos de intercambio de energía.
 Los cuerpos pueden intercambiar energía mediante dos
mecanismos: Calor y Trabajo.
 Cuando la interacción es de tipo mecánico, es decir,
mediante la actuación de una fuerza (y siempre que haya
desplazamiento), la transferencia de energía entre un
cuerpo y otro se denomina Trabajo (W).
Fuerza
Fuerza
4
Mecanismos de intercambio de energía.
 Cuando la interacción es de tipo térmica, esto es,
ocurre porque los dos cuerpos tienen diferente
temperatura la energía se transfiere del cuerpo a
mayor T hacia el de menor T. Este mecanismo de
transferencia se denomina Calor (Q).
 El Calor y el trabajo no son otra forma de energía, sino
formas de intercambio o transferencia de energía.
(Teplo a práce nejsou druhy energie, ale formy jejího přenosu)
5
Estados de agregación de la materia
Estado líquido:
Estado sólido:
•
•
•
Moléculas muy cerca unas de otras fuerzas
de cohesión entre moléculas muy intensas.
Las moléculas ocupan una posición fija en el
sólido no pueden “viajar”, (sólo vibrar)
Poseen una forma definida y ocupen un
volumen propio.
•
•
•
Moléculas a mayor distancia que en los
sólidos las fuerzas de cohesión son
pequeñas.
Las moléculas pueden “viajar”.
Ocupan un volumen propio, pero no tienen una
forma definida, sino que se adaptan al
recipiente que los contiene.
Estado gaseoso:
•
•
b)
a)
Distancia grande entre
las moléculas. Fuerzas
de cohesión prácticamente nulas.
Presentan tendencia a
ocupar el mayor volumen
posible al poder expandirse con facilidad.
c)
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Animación estados agreg
Temperatura
“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la
agitación térmca o movimiento medio de las moléculas de un
material, es decir, de la energía cinética media de éstas”.
+Energía
Si la agitación térmica(más movimiento)
↑
Energía interna Temperatura
↑
“La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía
cinética media de las partículas (átomos, moléculas,...) que
lo componen.”
Es una magnitud intensiva
7
Animación estados agreg
“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la
agitación o movimiento medio (de la energía cinética meia) de las
moléculas de un material”.
8
Animación estados agreg
Medición de la temperatura: teoría cinética
9
Principio 0 de la termodinámica
• Cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en
contacto térmico, la energía térmica empieza a fluir en forma de
calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor.
• Esto ocurrirá hasta que se igualen sus temperaturas,
• A esta situación se le llama equilibrio térmico
Principio 0 de la termodinámica:
“Si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico (misma
temperatura) con un tercer cuerpo C, ambos cuerpos (A y B) están en
equilibrio entre sí (misma temperatura)”.
10
Medición de la temperatura: Termómetros
 Un termómetro es un instrumento que se usa para medir la
temperatura de un cuerpo. .
 Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos:
•
•
Escoger una propiedad de la materia que sea fácilmente observable y
medible
Que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas,
(que esta variación sea fácil de medir)
Con
los termómetros medimos la
indirecta a partir de otra propiedad.
temperatura
de
forma
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Medición de la temperatura: Termómetros
Termómetro bimetálico
(de resorte espiral)
Termómetros de mercurio y de alcohol
Pirómetro
Termómetro de gas a
presión constante
Termopar
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Medición de la temperatura: Termómetros
Actividad: Haz una búsqueda en Internet y escribe una pequeña descripción
del principio de funcionamiento de los siguientes termómetros:
termómetros de mercurio y de alcohol, bimetálicos, de gas (a P=cte),
termopares y pirómetros.
Realiza una tabla donde especifiques la propiedad que varía en cada tipo de
termómetro, así como el rango de temperaturas en que es habitual usarlo.
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Medición de la temperatura: Escalas de Temperatura
100ºC
0ºC
Puntos de referencia
Escala
Divisiones
Uso
Punto
congelación
Punto
ebullición
Celsius
0º
100º
Europa
Kelvin
273,15º
373,15
Científicos
(SI)
212º
Anglosajones
(EEUU, Reino
Unido, etc.)
Fahrenheit
32º
Nota: Un incremento de 1ºC (ó 1ºK) equivale a un incremento de 1,8ºF
14
Medición de la temperatura: Escalas de Temperatura
Para pasar de un sistema a otro:
De Celsius a Kelvin:
T ( K )  T (C )  273,15º
De Fahrenheit a Celsius:
T (º C ) T (º F )  32

5
9
(cloruro amónico en agua)
180
100
100
15
Escalas de temperatura, ejercicios
Ej 1,(1 boletín, 5/155 Guad): Un amigo inglés te escribe diciendo que ha
estado en cama con fiebre y ha alcanzado una temperatura de 104 °F.
¿Cuántos grados Celsius son?¿Cuántos Kelvins?
Solución: T=40ºC=313K
Ej 2 (2 boletín, ):Responde a las siguiente preguntas:
a. ¿Que temperatura en ºC hay en Londres si en las noticias dicen que están
a 54ºF?
b. La temperatura de ebullición (vaporización) del etanol (el alcohol de las
bebidas) es 78ºC ¿Cual es esa temperatura en K? ¿Y en ºF?
Ej 3,(3 boletín, 6/155 Guad): El gas noble helio licua a 4,2 K. Expresa esta
temperatura en grados Celsius y en grados Fahrenheit.
Solución: T(ºC)=-268,8ºC
T(ºF)=-451,11
16 °F
Escalas de temperatura, ejercicios
Ej 4, (4 boletin):Estas de viaje por EEUU y en la noticias avisan que se
aproxima una helada y que se pueden alcanzar temperaturas de hasta
+10ºF. ¿Cual será la temperatura en grados celsius ?
Solución: T(C)=-12,2ºC
Ej 5, (5 boletin) Un termómetro de mercurio está graduado en las escalas
Celsius y Fahrenheit. La distancia entre dos marcas consecutivas en la
graduación Fahrenheit es 1 mm. ¿Cuál es la distancia entre dos marcas
consecutivas en la graduación Celsius?
.
Solución: d=1,8mm
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Efectos del Calor
Efectos del Calor
 Cuando un cuerpo absorbe (o cede) calor, aumenta (o
disminuye) su energía interna, en particular su agitación
térmica (su energía térmica).
 Este cambio en su energía produce al menos uno de los
siguientes efectos en la sustancia de dicho cuerpo:
o Aumentos de temperatura
o Cambios de fase (de estados de agregación)
o Cambios de volumen (dilatación/contracción).
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Efectos del Calor: Cambios de temperatura
Cambios de temperatura:
Calor específico de una sustancia: calor necesario para elevar
un 1º la temperatura de una unidad de masa (gr, Kg, mol) de
esa sustancia.
es una propiedad característica
de las sustancias.
 La
unidad
específico es:
S.I.
de
calor
J
kg.K
… aunque habitualmente se mide
en:
cal
g. 0 C
Sustancia
Ce(cal/g 0C)
Agua
1,000
Aluminio
0,217
Etanol
0,586
Cobre
0,095
Hierro
0,111
Zinc
0,092
Plomo
0,031
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Efectos del Calor: Cambios de temperatura
Calor especifico
Calor latente de fusión
cal /g
Temp de
ebullición
kJ/kg
(ºC)
(ºC)
2260
0
100
cal/g·ºC
J/kg·K
Agua (líquida)
1,00
4180
Agua (Hielo)
0,49
2050
0
100
Agua (Vapor)
0,47
0,59
1960
2450
0
100
334
Benceno
Oxígeno
kJ/kg
Temp. de
fusión
Sustancia
Alcohol etílico
cal /g
Calor latente de
vaporización
105
846
-114
78,4
127
396
5.5
80.2
-219
-183
3,30
50,90
Bronce
0,086
360
Oro
0,03
130
67
Aluminio
0,22
900
322-394
2300
658.7
9220
Hierro
0,11
450
293
3050
1530
6300
Plata
0,06
240
109
Plomo
0,031
130
22.5
1750
327.3
880
Cobre
0,093
389
214
2360
1083
5410
Mercurio
0,033
138
11.73
356.7
-38.9
285
Plata
0,06
Agua de mar
0,945
Aire
0,24
1.010
Granito
0,19
800
240
20
Efectos del Calor: Cambios de temperatura
¿Cuánto calor es necesario comunicar a una sustancia para que
eleve su temperatura Δt 0 C?
La cantidad de calor necesaria depende de la sustancia de que
se trate y de la masa de la misma y se calcula usando la
expresión:
Q  m c e  t f  ti   m c e t
Ej 1 (prob 7; 15/161 Guad): Deseamos calentar 250 g de agua desde 20°C a
40°C. ¿Cuánto calor se requiere?
Solución: Q=20900J
Ej 2 (probl 8) : El calor especifico del Etanol es c=2424J/Kg·C ¿Cuantas
calorías son necesarias para elevar 1ºC la temperatura de un Kg de etanol?
¿Y para elevarla un ºF? ¿Y un ºK?
Solución: a) 1º celsius: Q=2424J b) 1º Farenheit: Q=1346,7J c) 1 Kelvin: 21
Q=2424J
Aumento temperatura y equilibrio térmico
22
Aumento temperatura y equilibrio térmico
23
Aumento temperatura y equilibrio térmico, ejercicios
Ejemplo 3 (Probl12; 16/161 Guad): Calcula la masa de una pieza de
hierro si se sabe que, para aumentar su temperatura desde 25°C
a 100 °C, necesita absorber 2 508 J.
Solución: m=0,075Kg
Ejemplo 4 (Probl15): Se mezclan 800 g de agua a 20º C con 1000 g
de agua a 70ºC. Calcular cuál será la temperatura final de la
mezcla.
24
Solución: 47,8ºC
Equilibrio térmico, ejercicios
Ejemplo 5,(ej 11): Con el fin de determinar el calor específico de un
metal se calienta un trozo de 100,0 g hasta 86ºC y a continuación se
introduce en un calorímetro que contiene 300, 0 g de agua a una
temperatura de 21ºC. El agua del calorímetro se agita y tras unos
minutos se alcanza el equilibrio entre la pieza metálica y el agua
adquiriendo el conjunto una temperatura de 25ºC. Determinar el calor
específico del metal.
Datos: equivalente en agua del calorímetro: k=42,5 g
Sol: Sin considerar el equivalente en agua del calorímetro: 820,8 J/KgºC,=0,197cal/gºC el
metal considerado debe ser Aluminio (si comparamos con la tabla está muy cerca de 0,217
cal/gºC –se comete un error del 11,6%-). Considerando el equivalente en agua del
calorímetro: 937,5J/KgºC=0,225cal/gºC
25
Efectos del Calor: Cambios de estado
26
Efectos del Calor: Cambios de estado
27
Efectos del Calor: Cambios de estado
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Efectos del Calor: Cambios de estado
29
Efectos del Calor: Cambios de estado
30
Mecanismos de transferencia del calor
Existen 3 formas (o mecanismos) básicas de transferencia
de calor entre los cuerpos:
Conducción
Convección
Radiación
video
31
Mecanismos de transferencia del calor
Conducción:
o Típica de los sólidos.
o Las
partículas
del
cuerpo
se
transfieren la energía térmica de
una a otras sin desplazarse por el
cuerpo
video
32
Efectos del calor: Dilataciones
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Efectos del calor: Dilataciones
Dilatación lineal
Dilatación superficial
Coefiente de dilatación
lineal: aumento de longitud
Coef. dilatación
superficial: aumento del
de un cuerpo cuando la
temperatura aumenta 1ºC
Coefiente de dilatación
cúbica: aumento de volumen
áreade un cuerpo cuando la
temperatura aumenta 1ºC
1 l
 ·
l 0 T
de un cuerpo cuando la
temperatura aumenta 1ºC
1 V
 ·
V0 T
1 S
 ·
S 0 T
Longitud final:
l  l0 (1  T )
Dilatación cúbica
Superficie final:
)
S  S0 (1  T )
volumen final
)
V  V0 (1  T )
34
Medición de la temperatura: Dilataciones
35
Calor y Trabajo: Maquinas termicas
36
Enlaces interesantes
http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/maquinastermicas/
Pagina del CNICE
http://blog.educastur.es/eureka/4%C2%BA-fyq/calor-y-energia-termica/
37
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Movimiento Ondulatorio, Ondas