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CALOR Y PROPAGACION DE CALORINTEGRANTES:
> BENITES MOLTALVO, Adler> CAMONES JARA, Eder> LUDEÑA JUAREZ, Rodrigo> MORALES JAMANCA, Rodrigo> SAENZ PINEDA, Richard
FUNDICIÓN: Se requieren casi 289 Joules de calor para fundir un gramo de acero. En este capítulo se definirá la cantidad de calor para elevar la temperatura y cambiar la fase de una sustancia.
Fotografía © Vol. 05 Photodisk/Getty
CALOR DEFINIDO COMO ENERGÍA
El calor no es algo que tenga un objeto, sino más bien la energía que absorbe o entrega. La pérdida de calor por carbones calientes es igual a la que gana el agua.
Carbones calientes
Agua fría Equilibrio térmico
UNIDADES DE CALOR
Una caloría (1 cal) es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 C0.
10 calorías de calor elevarán la temperatura de 10 g de agua en 10 C0.
Ejemplo
UNIDADES DE CALOR
10 kilocalorías de calor elevarán la temperatura de 10 kg de agua en 10 C0.
Ejemplo
Una kilocaloría (1 kcal) es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1 C0.
UNIDADES DE CALOR
10 Btu de calor elevarán la temperatura de 10 lb de agua en 10 F0.
Ejemplo
Una unidad térmica británica (1 Btu) es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de 1 lb de agua en 1 F0.
LA BTU ES UNA UNIDAD OBSOLETALa unidad térmica británica (1 Btu) es desalentadora, pero desafortunadamente todavía se usa mucho en la actualidad. Si la usa, debe reconocer que la unidad libra en realidad es una unidad de masa, no de peso.
1 lb (1/32) slug
Cuando trabaje con la Btu, debe recordar que la libra-masa no es una cantidad variable que dependa de la gravedad--
¡una razón por la que el uso de Btu es desalentador!
1 lb
LA UNIDAD SI DE CALORDado que el calor es energía, el joule es la unidad preferida.
Entonces, la energía mecánica y el calor se miden en la misma unidad fundamental.
1 cal = 4.186 J
Comparaciones de unidades de calor:
1 kcal = 4186 J
1 Btu = 778 ft lb
1 Btu = 252 cal
1 Btu = 1055 J
TEMPERATURA Y CANTIDAD DE CALOR
200 g
600 g
200C
200C
220C
300C
El efecto del calor sobre la temperatura depende de la cantidad de materia calentada.
A cada masa de agua en la figura se aplica la misma cantidad de calor.
La masa más grande experimenta un aumento más pequeño en temperatura.
CAPACIDAD CALORÍFICALa capacidad calorífica de una sustancia es el calor que se requiere para elevar la temperatura un grado.
Plomo Vidrio Al Cobre Hierro
Capacidades caloríficas con base en el tiempo para calentar de cero a 1000C. ¿Cuál tiene la mayor capacidad calorífica?
37 s 52 s 60 s 83 s 90 s
1000C 1000C 1000C 1000C 1000C
CAPACIDAD CALORÍFICA
Plomo Vidrio Al Cobre Hierro
Las bolas de hierro y cobre funden la parafina y salen del otro lado; otras tienen capacidades caloríficas menores.
Todas a 100 0C se colocan en un bloque de parafina
Plomo Vidrio Al Cobre Hierro
CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA
La capacidad calorífica específica de un material es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado.
; Qc Q mc tm t
Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K
Cobre: c = 0.094 cal/g C0 o 390 J/kg K
COMPARACIÓN DE UNIDADES DE CALOR: ¿CUÁNTO CALOR SE NECESITA PARA ELEVAR 1 KG DE AGUA DE 0 0C A 100 0C?
La masa de un kg de agua es:1 kg = 1000 g = 0.454 lbm
1 kgQ mc t
Para agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K
1 lbm = 454 g
El calor que se requiere para hacer esta tarea es:
10,000 cal 10 kcal39.7 Btu 41, 860 J
PROCEDIMIENTO PARA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS
; Qc Q mc tm t
Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K
1. Lea el problema cuidadosamente y dibuje un bosquejo burdo.
2. Haga una lista de todas las cantidades dadas.3. Determine qué debe encontrar.4. Recuerde ley o fórmula o constantes aplicables.
5. Determine qué tenía que encontrar.
EJEMPLO 1: UNA TAZA DE COBRE 500 G SE LLENA CON 200 G DE CAFÉ. ¿CUÁNTO CALOR SE REQUIRIÓ PARA CALENTAR TAZA Y CAFÉ DE 20 °C A 96 0C?
1. Dibuje bosquejo del problema.
2. Mencione información dada.
Masa taza mm = 0.500 kg
Masa café mc = 0.200 kg
Temperatura inicial de café y taza: t0 = 200C
Temperatura final de café y taza: tf = 960C
Calor total para elevar temperatura de café (agua) y taza a 960C.
3. Mencione qué debe encontrar:
EJEMPLO 1(CONT.): ¿CUÁNTO CALOR SE NECESITA PARA CALENTAR TAZA Y CAFÉ DE 20°C A 960C? MM = 0.2 KG; MW = 0.5 KG.
4. Recuerde fórmula o ley aplicable:
Q = mc tGanancia o pérdida de calor:
5. Decida qué calor TOTAL es el que se requiere para elevar la temperatura de taza y agua (agua). Escriba ecuación.
QT = mmcm t + mwcw t
6. Busque calores específicos en tablas:
Cobre: cm = 390 J/kg C0
Café (agua): cw = 4186 J/kg C0
t = 960C - 200C = 76 C0
Agua: (0.20 kg)(4186 J/kgC0)(76 C0)
Taza: (0.50 kg)(390 J/kgC0)(76 C0)
QT = 63,600 J + 14,800 J QT = 78.4 kJ
7. Sustituya info y resuelva el problema:
QT = mmcm t + mwcw t
Cobre: cm = 390 J/kg C0
Café (agua): cw = 4186 J/kg C0
EJEMPLO 1(CONT.): ¿CUÁNTO CALOR SE NECESITA PARA CALENTAR TAZA Y CAFÉ DE 20°C A 960C? MC = 0.2 KG; MW = 0.5 KG.
UNA PALABRA ACERCA DE LAS UNIDADES
Las unidades sustituidas deben ser consistentes con las del valor elegida de capacidad calorífica específica.
Q = mwcw t
Por ejemplo: Agua cw = 4186 J/kg C0 o 1 cal/g C0
Las unidades para Q, m y t deben ser consistentes con las que se basen en el valor de la constante c.
Si usa 4186 J/kg C0 para c, entonces Q debe estar en joules y m en kilogramos.
Si usa 1 cal/g C0 para c, entonces Q debe estar en calorías y m en gramos.
EJEMPLO 2: UN PUÑADO DE PERDIGONES DE COBRE SE CALIENTA A 900C Y LUEGO SE SUELTAN EN 80 G DE AGUA EN UN VASO A 100C. SI LA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO ES 180C, ¿CUÁL FUE LA MASA DEL COBRE?
perdigón a 900C
agua a 100C
aislador
te= 180Ccw = 4186 J/kg C0; cs = 390 J/kg C0
mw = 80 g; tw= 100C; ts = 900CPérdida de calor por perdigón = calor ganado por agua
mscs(900C - 180C) = mwcw(180C - 100C)
Nota: las diferencias de temperatura son [alto - bajo] para asegurar valores absolutos (+) perdido y ganado.
2679 J 0.0954 kg28,080 J/kgsm ms = 95.4 g
ms(390 J/kgC0)(72 C0) = (0.080 kg)(4186 J/kgC0)(8 C0)mscs(900C - 180C) = mwcw(180C - 100C)
perdigón a 900C
agua a 100C
aislador
180C
Pérdida de calor por perdigón = calor ganado por agua
Ejemplo 2: (Cont.)
80 g de agua
ms = ?
RESUMEN DE UNIDADES DE CALORUna caloría (1 cal) es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 C0.Una kilocaloría (1 kcal) es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1 C0.
Una unidad térmica británica (Btu) es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb de agua en 1 F0.
RESUMEN: CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA
La capacidad calorífica específica de un material es la cantidad de calor para elevar la temperatura de una
unidad de masa en un grado.
; Qc Q mc tm t
CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR
Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura q experimenta.
A VOLUMEN CONSTANTE: = calor especifico a volumen constante. = capacidad calorífica molar a v.c
=.M =R
A PRESION CONSTANTE:
=calor específico a presión constante =capacidad calorífica molar a presión constante
=.M =R
RELACION ENTRE CAPACIDADES
_=R = =
CALORIMETRÍACiencia encargada de las mediciones del calor que se transfieren los cuerpos en aquellos fenómenos donde juega un papel importante la temperatura
La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo es proporcional a su
masa.
Principios de la Calorimetría
Primer Principio
Segundo Principio
La cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un cuerpo desde un valor A hasta un valor B
es igual a la cantidad de calor que el cuerpo
cede cuando su temperatura desciende
de B a A.
A B
Q1
Q2
► Q... cantidad de calor► m... masa del cuerpo► c... calor específico del cuerpo► Δt... variación de temperatura
Ecuación fundamental de la
calorimetría
¿De qué factores depende la cantidad de calor que puede transferirse a un cuerpo?
•De la masa,•Del tipo de sustancia,•De la diferencia de temperaturas
, ,T m c
Q = m c T
CALOR (Q)Una forma de energía que se transfiere desde los cuerpos que es encuentran a mayor temperatura hacia los cuerpos de meno temperatura.Para que la calor se transfiera de un cuerpo a otro ,estos deben de tener diferentes temperaturas|.La calor es una forma de energía no almacenable y se puede transferir por conducción, convención y radiación.
Relación entre unidades
Unidad del Calor : Caloría (cal)
► Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C a la presión de 1 atmósfera (Presión normal).
Unidades de Cantidad de Calor
Las unidades de cantidad de calor (Q) son las mismas unidades de
trabajo (T).
CALORÍMETRO
EQUILIBRIO TERMICOLa interacción que causa cambios de temperatura es básicamente una transferencia de energía de una sustancia a otra .la transferencia que se da exclusivamente por una diferencia de temperatura se denomina
flujo de calor o transferencia de calor , en tanto que la energía así transferida se denomina calor.
Cambio de faseUsamos el termino de fase para describir un estado especifico de la
materia ,como solido ,liquido o gas.
Para que una sustancia cambie de fase debe haber transferencia de calor
TODO CAMBIO DE ESTADO SE RIGE POR DOS LEYES FUNDAMENTALES
PRIMERA LEY: Toda sustancia que cambia de
estado lo hace a temperatura constante (punto de transformación) durante el cambio de estado
SEGUNDA LEY: Toda sustancia en su punto
de transformación absorbe o cede calor por cada unidad de masa de la sustancia ; este calor se llama calor de transformación.
CALOR SENSIBLE
DONDE: Q : calor m : masa de la sustancia c : calor especifico T : variación de
temperatura
Cuando el calor produce un cambio de temperatura
CALOR LATENTE
DONDE: Q : calor m : masa de la sustancia L : calor latente
Si el calor produce un cambio de fase
(+):absorber calor(-): ceder calor
PARA EL AGUA: Lf : calor latente de fusiónLv : calor latente de vaporización
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Conducción Dirección
De caliente a frío.
H = corriente calorífica (J/s)A = área superficial (m2)t = diferencia de temperaturaL = grosor del material
CONDUCTIVIDAD TÉRMICAt1 t2
t = t2 - t1
La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.
QLkA t
Q kA tHL
Cms
JUnidades
LAS UNIDADES SI PARA CONDUCTIVIDAD
Caliente Frío QLkA t
Para cobre: k = 385 J/s m C0
En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.
CONDUCTIVIDADES TÉRMICASA continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades térmicas de materiales:
Cobre:
Concreto o vidrio:
Tablero de corcho:
385 2660
0.800 5.6
0.040 0.30
Material oJ/s m C 2 0Btu in/ft h F
EJEMPLOS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Aluminio:
Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); t = 100 C0
Cobre:
Concreto o vidrio:
Tablero de corcho:
2050 kJ/s 4980 Btu/h
3850 kJ/s 9360 Btu/h
8.00 kJ/s 19.4 Btu/h
0.400 kJ/s 9.72 Btu/h
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.
ConvecciónEl fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección.
La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
Radiación
Sol
Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
Atómico
¡No se requiere medio!
RADIACIÓNLa tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).
Q PRA A
Tasa de radiación (W/m2):
Emisividad, e : 0 > e > 1
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
4PR e TA
s
RESUMEN: TRANSFERENCIA DE CALOR
Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.
Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
RESUMEN DE RADIACIÓN
Rate of Radiation (W/m2):
La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).
Q PRA A
Emisividad, e : 0 > e > 1
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
4PR e TA
s R
LEY DE PLANCKLa ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. La ley lleva el nombre de Max Planck, quien la propuso originalmente en 1900. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.32 1(v,T)
1hvkt
hvIce
I Radiancia espectral W m-2 sr-1
v frecuencia hercios (Hz)
longitud de onda metro (m)
T temperatura del cuerpo negro kelvin (K)
h Constante de Planck
(J s)
c velocidad de la luz
(m / s)
e base del logaritmo
natural, 2,718281 ...
adimensional
k Constante de Boltzmann
(J / K)
LEY DE STEFAN-BOLTZMANN
La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite radiación térmica con una potencia emisiva hemisférica total (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:
Donde Te es la temperatura efectiva, es decir, la temperatura absoluta de la superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzma:
4. eE Ts
¡GRACIAS!
