8 Calor y Su Propagacion 24027

Mg. John Cubas Sánchez 1

CALOR Y SU PROPAGACIÓN

TRANSFERENCIA DE ENERGIA DE UNA SUSTANCIA A OTRA: CALOR

El calor es una energía “en tránsito”. Se transfiere de los cuerpos que están a una temperatura elevada hacia los que tienen menor temperatura, a través de su frontera. El calor por ejemplo, es causa de las dilataciones de los cuerpos.


EL AUMENTO DE TEMPERATURA D T ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL TRABAJO REALIZADO AL DESCENDER LOS BLOQUES UNA DISTANCIA h

Sir James Prescott Joule, determinó experimentalmente que:


La constante de proporcionalidad hallada aproximadamente es 4,18 J/g °C

Mediciones posteriores más precisas demostraron que esta constante es 4,186 J/g °C cuando la temperatura subía de 14,5 °C a 15,5°C (cal 15°)

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/animaciones_files/joule_pq.gif

Es la cantidad de energía

necesaria para elevar la

temperatura de 1 g de

agua de 14,5 °C a 15,5 °C

UNIDADES DEL CALOR

CALORÍA (cal)

Es la cantidad de energía

necesaria para elevar la

temperatura de 1 lb de

agua de 63 °F a 64 °F

UNIDAD TÉRMICA BRITÁNICA (Btu)


Es la unidad oficial del sistema internacional de unidades. Denominado así en honor a James Prescott Joule. Un joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de un newton, cuyo punto de aplicación se desplaza un metro en la dirección de la fuerza. En unidades elementales, el joule es:

joule (J)

2

2

111s

mkgNmJ


EQUIVALENCIAS ENTRE LA UNIDADES DE CALOR

1 cal = 4,186 J 1 kcal = 1 000 cal = 4186 J

1 Btu = 778 pie.lb = 252 cal = 1 055 J

1 cal 15º = 4,1858 J

1 cal termoquímica = 4,1840 J

1 cal media = 4,190 J

1 cal TI = 4,1868 J


La kcal = Cal (caloría

grande) se utiliza para

expresar los valores energéticos de los alimentos

Q = C D T

Es el calor requerido para cambiar la temperatura de una sustancia en un cierto intervalo DT:

Para cuerpos homogéneos e isotrópicos C = constante:

dQC

dT

dQ CdT

2

1

T

TdQ C dT

2

1

T

TQ CT

2 1( )Q C T T

Es una propiedad extensiva, por tanto no es una propiedad exclusiva para cada material.



Q = m ce D T

Es el calor requerido por cada unidad de masa m de una sustancia para cambiar su temperatura en un cierto intervalo DT :

Para cuerpos homogéneos e isotrópicos ce = constante:

dT

dQ

mce

1

dTmcdQ e

2

1

T

Te dTcmdQ SI T AUMENTA Q>0: EL CUERPO ABSORBE CALOR

SI T DISMINUYE Q<0: EL CUERPO PIERDE CALOR

Es una propiedad intensiva, por lo que es representativa de cada material

1ec C

m

eC mcEs la capacidad calorífica por unidad de masa.

CALOR ESPECIFICO DEL AGUA


ce = 4190 J/kg. K

ce = 1cal/g. ºC

ce = 1 Btu/lb .ºF

En la fase líquida: ce (J/kg K)

T (°C) 0 20 40 60 80 100

4170

4180

4190

4200

4210

4220

m = n M

dTnMcdQ e


dT

dQ

ncM

1

Es el calor requerido por cada unidad de cantidad de sustancia n para cambiar la temperatura en un intervalo D T:

dTncdQ M

Q = n cM D T

2

1

T

TM dTcndQ

Para cuerpos homogéneos e isotrópicos cM = constante:

Además:

cM = M ce

Comparando:

dTmcdQ e

dTncdQ M

(LIQUIDA)

capacidad calorífica molar del agua

cM = M ce = (0,0180 kg/mol) (4190 J/kg . K) = 75,42 J/mol .K


Donde: masa molar del agua = 18,0 g/mol = 0,0180 kg/mol

OH2

Calores específicos y Capacidades caloríficas molares aproximadas (a presión constante)


Sustancia ce (J/kg K) M (kg/mol) cM (J/mol K)

Aluminio 910 0,0270 24,6

Berilio 1970 0,00901 17,7

Cobre 390 0,0635 24,8

Etanol 2428 0,0461 111,9

Etilén glicol 2386 0,0620 148,0

Hielo (cerca de 0°C) 2100 0,0180 37,8

Hierro 470 0,0559 26,3

Plomo 130 0,207 26,9

Mármol (CaCO3) 879 0,100 87,9

Mercurio 138 0,201 27,7

Sal (NaCl) 879 0,0585 51,4

Plata 234 0,108 25,3

Agua (líquida) 4190 0,0180 75,4

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Para que la energía en forma de calor se transfiera de un cuerpo a otro ambos cuerpos deben debe estar a distinta temperatura, teniendo cada uno de ellos una facilidad o resistencia a esta transferencia.


AGUA: Alto calor específico

VIDRIO: Más bajo calor específico 0,84 J/g °C

4,19 J/g °C

MEDICION DE CALORES ESPECIFICOS Y

CAPACIDADES CALORÍFICAS MOLARES

METODO DIFICIL DE REALIZAR: Cantidad de energía medida (resistencia eléctrica) + Termómetro de resistencia eléctrica incrustado a muestra.

SOLIDOS: GAS:

Calor específico y Capacidad calorífica

molar respectivamente

cep y cp

Calor específico y Capacidad calorífica

molar respectivamente

Para un gas dado cP

y cV son diferentes


( a presión constante)

ceV y cV ( a volumen constante)

cep y cp ( a presión constante)

ceV y cV ( a volumen constante)

REGLA DE DULONG Y PETIT

(SOLIDOS ELEMENTALES)

La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura depende del

número de átomos y no de la masa de estos en la muestra.


FASES

SIN VARIACION DE TEMPERATURA

ABSORCION DE CALOR (endotérmico)

PÉRDIDA DE CALOR (exotérmico)

CAMBIO DE VOLUMEN Y DENSIDAD

FASE SÓLIDA

FASE LÍQUIDA

FASE GASEOSA

cambio de fase



LÍQUIDO

SÓLIDO

GASEOSO

vaporización

solidificación

evaporación

gasificación

fusión

condensación licuación

sublimación

Sublimación inversa

Q = m L

CAMBIOS DE FASE

(calor de transformación)

Este proceso es reversible

L depende de la presión


EQUILIBRIO DE FASES

Distintas fases de un mismo material pueden coexistir a una determinada temperatura.

FUSIÓN - SOLIDIFICACIÓN

Q = m Lf

PARA EL AGUA:

Lf = 3,34 x 105 J/kg

Lf = 79,6 cal/g 80 cal/g

Lf = 143 Btu/lb

Lf = calor de fusión (o calor latente de fusión)


VAPORIZACIÓN - CONDENSACIÓN

LV = calor de vaporización (o calor latente de vaporización)

PARA EL AGUA:

LV = 2,256 x 106 J/kg

LV 540 cal/g

LV = 970 Btu/lb


Q = m LV

Calores de fusión

*Se requiere una presión mayor que 25 atm para solidificar el helio. A presión de 1 atm, el helio sigue siendo líquido hasta el cero absoluto


Punto de fusión normal LF (J/kg)

Sustancia K °C

Helio * * *

Hidrógeno 13,84 - 259,31 58,6 x 103

Nitrógeno 63,18 - 209,97 25,5 x 103

Oxígeno 54,36 - 218,79 13,8 x 103

Etanol 159 - 114 104,2 x 103

Mercurio 234 - 39 11,8 x 103

Agua 273,15 0,00 334 x 103

Azufre 392 119 38,1 x 103

Plomo 600,5 327,3 24,5 x 103

Antimonio 903,65 630,50 165 x 103

Plata 1233,95 960,80 88,3 x 103

Oro 1336,15 1063,00 64,5 x 103

Cobre 1356 1083 134 x 103


Calores de vaporización Punto de ebullición

normal LV (J/kg)

Sustancia K °C

Helio 4,216 - 268,93 20,9 x 103

Hidrógeno 20,26 - 252,89 452 x 103

Nitrógeno 77,34 - 195,8 201 x 103

Oxígeno 90,18 - 183,0 213 x 103

Etanol 351 78 854 x 103

Mercurio 630 357 272 x 103

Agua 373,15 100,00 2256 x 103

Azufre 717,75 444,60 326 x 103

Plomo 2023 1750 871 x 103

Antimonio 1713 1440 561 x 103

Plata 2466 2193 2336 x 103

Oro 2933 2660 1578 x 103

Cobre 1460 1187 5069 x 103

CAMBIOS DE FASE

CURIOSIDADES: El metal galio, que vamos aquí fundiéndose en la mano de una persona, es uno de los pocos elementos que funden cerca de la temperatura ambiente. Su temperatura de fusión es de 29,8 °C y su calor latente de fusión es de 8,04 x 104 J/kg


CAMBIOS DE FASE PARA EL AGUA


T (ºC)

Q (cal)

a

b c

d e

f

- 30

0

100

120

15 94,7 194,7 734,7 744,3

Hielo +

agua

agua + vapor de agua

m = 1 g

p = 1 atm

b = Punto de fusión c = Punto de solidificación d = Punto de vaporización e = Punto de condensación T = 100 ºC

T = 0 ºC

PARA LA GASOLINA:

Lc = 46 000 J/g

Lc = 4,6 x 107 J/kg

Lc = Calor de combustión


Q = m Lc

La combustión de algunas sustancias implica la producción de determinadas cantidades de calor; por ejemplo, la combustión de la gasolina, el consumo de alimentos, etc.:

PARA LA PALTA:

Lc = 12 kcal/g

Lc = 5,02 x 107 J/kg

CALOR

Técnica utilizada para medir calores específicos de las sustancias

Calor “sensible” : cambio de temperatura

Calor “latente” : cambio de fase

Utilizando situaciones donde se produce EQUILIBRIO TÉRMICO


0 perdidoganado QQ

Si los cuerpos que conforman el sistema están aislados de su entorno:

(Principio fundamental de la calorimetría)

Q = m ce D T

Q = m L


CALORÍMETRO

El calorímetro es un dispositivo que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Se utiliza para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

Proceso para determinar el calor específico:

1° Calentamos una muestra a una temperatura conocida T1 y masa conocida m1.

2° Se coloca esta muestra en un recipiente que contenga agua, de masa m2 y temperatura T2 conocidas. (T2 < T1)

3° El recipiente donde se produce la transferencia de energía entre el agua y la muestra se denomina calorímetro, el cual aísla el sistema de su entorno.

4° Se mide la temperatura del sistema una vez que se ha alcanzado el equilibrio térmico, Te.

5° En el equilibrio térmico, se aplica la Ley de Conservación de la energía.

0 perdidoganado QQ


Es la masa hipotética de agua capaz de ganar o ceder igual cantidad de calor que un calorímetro al experimentar igual variación de temperatura.

ocalorímetraguaen

eequivalent QQ

TCTC ocalorímetraguaen

eequivalent DD

ocalorímetraguaen

eequivalent CC

Es decir que, la capacidad calorífica de esta agua hipotética es equivalente a la capacidad calorífica del recipiente.

Luego:

ocalorímetrocalorímetrOH eeaguaen

eequivalent cmcm 2

(1 cal/g °C)

OH

ocalorímetrocalorímetr

e

e

aguaeneequivalent

c

cmm

2

Es la proyección de Diagrama PVT, respecto al plano PT


T

p

VAPOR

SÓLIDO

punto

triple

punto

crítico

CAMBIOS DE FASE

SUBENFRIADO:

El material se encuentra en una fase que no le corresponde según su temperatura (inestable). A cualquier perturbación cambiará a la fase correspondiente.

Un ejemplo clásico de vapor subenfriado es la cámara de niebla de Wilson. Si el subenfriamiento del vapor es muy rápido, como cuando se expande vapor en una tobera, el cambio de fase no ocurre al alcanzar la línea de vapor saturado de equilibrio, sino que el vapor sigue expandiéndose en fase gaseosa hasta que súbitamente tiene lugar una onda de condensación isentálpica con gran generación de entropía.


SOBRECALENTADO:

El material se encuentra en una fase que no le corresponde según su temperatura (inestable). A cualquier perturbación cambiará a la fase correspondiente.

CAMBIOS DE FASE

Los ejemplos de líquido sobrecalentado abundan: el caso del vaso con agua en el microondas, es fácil conseguir que quede el agua líquida por encima de 100 ºC, y que con el simple movimiento de sacar el vaso (o introducir una bolsita de té, o una cucharada de café instantáneo) se produzca una ebullición violenta de parte del agua (la que compense su entalpía de ebullición con el enfriamiento del resto de líquido); nótese, sin embargo, que cuando ‘sube’ la leche al hervirla, no es por sobrecalentamiento explosivo, sino porque las burbujas que se forman no coalescen ni se rompen al salir, sino que quedan encerradas en películas líquidas bastante estables (metastables) que forman las espumas típicas de las emulsiones de agua y grasas o polisacáridos. El escape al rellenar un mechero de gas, rotura de depósitos y conducciones de agua caliente a presión, expansión del fluido de trabajo en los refrigeradores, etc.


CAMBIOS DE FASE

(ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO)

Es un proceso por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, este proceso se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquélla. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.

La evaporación es rara pero importante e indispensable en la vida cuando se trata del agua, que se transforma en nube y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido caliente, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende de la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación.


CONDUCCION CONVECCION RADIACION


(METALES: ELECTRONES LIBRES)

BUENOS CONDUCTORES TERMICOS

MALOS CONDUCTORES ELECTRICOS


Cuando el calor se propaga en los sólidos transmitiéndose entre las partículas aumentando su estado de vibración, esta transmisión termina cuando todas las partículas alcanzan el mismo estado de vibración. Los metales son buenos conductores.

BUENOS CONDUCTORES ELECTRICOS

MALOS CONDUCTORES TERMICOS

CONDUCCIÓN DEL CALOR

CHOMPA DE LANA

(Atrapa aire: aire muerto)

POLIESTIRENO


FIBRA DE VIDRIO




H = Flujo de calor en estado estable debido a la conducción en una varilla uniforme por unidad de tiempo, o potencia calorífica se denomina Corriente calorífica por conducción.

dt

dQH



Temperatura varía de manera no uniforme

dx

dTkA

dt

dQH

dx

dT= GRADIENTE DE TEMPERATURA


k se denomina conductividad térmica del material

A área de la sección recta

CORRIENTE CALORÍFICA POR CONDUCCIÓN

L

TkAH

D

L

TT

L

Tcf

D

= GRADIENTE DE TEMPERATURA

Unidades: H [1 W = 1 J/s] k [W / m . K]


El estado estacionario, se logra cuando después de un tiempo suficiente de haber mantenido el cuerpo a las temperaturas extremas T1 y T2, ésta disminuye uniformemente con la distancia; de tal manera que en cada punto la temperatura permanece constante en todo momento


R

TTAH

cf )(

k

LR

Resistencia térmica del material (valor R del material):

m2 K/W


Se puede reinscribir:

Es la transferencia de calor debido al movimiento real de masa de fluido de una región a otra.


EL FLUIDO ES

IMPULSADO POR UN

AGENTE EXTERNO:

VENTILADOR O

BOMBA

EL FLUIDO SE MUEVE POR

DIFERENCIAS DE DENSIDAD

(EXPANSION TERMICA)

Convección

forzada

Convección natural

o convección libre


CONVECCIÓN DEL CALOR

1. Corriente de calor producida es directamente proporcional al área superficial (A).

2. La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una superficie

estacionaria, formando una película superficial (aislante). La convección forzada

reduce el espesor de esta película.

3. La corriente calorífica por convección depende de la diferencia de temperaturas

(DT) entre la superficie y el promedio de la masa principal del fluido.

ThAH D


dt

dQH

Donde: h = coeficiente de convección


Dispositivo h (cal. s – 1 cm – 2 ºC – 1)

Lámina horizontal mirando hacia arriba 0,595 x 10– 4 (DT)1/4

Lámina horizontal mirando hacia abajo 0,314 x 10– 4 (DT)1/4

Lámina vertical 0,424 x 10– 4 (DT)1/4

Tubo horizontal o vertical (de diámetro D) 1,00 x 10– 4 ( )1/4

D

TD

Es la transferencia de calor propagado por ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten continuamente energía desde su superficie.

A MAYOR TEMPERATURA: ONDAS ELECTROMAGNETICAS DE LONGITUD DE ONDA CORTA.

A MAYOR TEMPERATURA: ONDAS ELECTROMAGNETICAS DE FRECUENCIA ALTA.


MAYORIA DEL CALOR: RADIACION INFRARROJA

FOTOGRAFIA INFRARROJA

La fotografía infrarroja o técnica fotográfica infrarroja, es aquella que nos permite fotografiar uno de los espectros lumínicos comprendidos entre 700 y 1 200 nanómetros, no visibles para el ojo humano. Sus aplicaciones pueden ser artísticas o científicas.


La energía emitida a cualquier temperatura es una mezcla de ondas de distintas longitudes de onda.

Temperatura Energía radiante

300 ºC Es transportada en ondas infrarrojas

800 ºC

El cuerpo es autoluminoso “al rojo”; pero aún la mayor parte es transportada en ondas infrarrojas

3 000 ºC Blanco incandescente. Ej.: Filamento de una lámpara incandescente

RADIACIÓN DEL CALOR

4TAeH

Donde:

H = Corriente calorífica por radiación

A = área que irradia energía e = emisividad, varía entre 0 y 1 =Constante de Stefan - Boltzmann = 5,67 x 10 – 8 W/m2 K4

T = temperatura absoluta (K)


)TT(AeTAeTAeH EEneto4444

En general cuando un cuerpo a temperatura T intercambia energía con su entorno a temperatura TE:

SALIDA NETA DE CALOR 0netoHSi:

ENTRADA NETA DE CALOR 0netoHSi:

RADIACIÓN DE UN CUERPO NEGRO

Un cuerpo negro ideal es un Radiador ideal con emisividad = 1


UN BUEN RECEPTOR DE RADIACION TAMBIEN ES UN BUEN EMISOR.

UN BUEN REFLECTOR DE RADIACION ES UN MAL EMISOR.

El cuerpo negro es el mejor receptor y el mejor emisor; por tanto, es el peor reflector


Los mejores emisores son los mejores receptores



FRASCO DE DEWAR

Vista transversal de un frasco de Dewar, el cual se usa para almacenar sustancias calientes o frías El flujo de calor es mínimo.


1. Calcule la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de 50 g que está a – 30 ºC para derretirlo y obtener agua a 0 ºC.

1º Primero elevamos la temperatura del hielo de –30 ºC a 0 ºC.

La cantidad de calor a entregar es:

Q1 = ce.m (Tf – Ti ) = 0,5 cal/g °C . 50 g . [ 0 ºC – (– 30ºC ) ]

Q1 = 25 cal/g °C . 30 ºC

Q1 = 750 cal

2º Para derretir el hielo se necesitará : Q2 = m. LF = 50 g . 80 cal / g

Q2 = 4000 cal

Entonces la cantidad de calor total que necesito es 750 cal + 4000 cal

Qtot = 4750 cal


2. Los muros de un refugio de alta montaña constan, desde el exterior, de una pared de hormigón de 15 cm de espesor, de una capa aislante de 3 cm de espesor y de un recubrimiento interior de madera de 1 cm de espesor. a. Obtener las temperaturas en las interfases del muro con la capa aislante en

condiciones estacionarias. b. Calcule el flujo calorífico conducido por 1 m2 y 1 hora a través de los muros

cuando la temperatura exterior es de –15ºC y la interior de 10ºC. (considere muy pequeña la resistencia térmica del muro a radiación-convección y khormigón= 0,03 kcal/m s °C; kaislante= 1x10 - 5 kcal/m s °C; kmadera= 3x10 - 5 kcal/m s °C.


Documents

8 Calor y Su Propagacion 24027