UPC Física 2

Semana 4 Sesión 1

Calor

Esfuerzo térmico. Cantidad de calor, calor específico.

Logro de la sesión

Al término de la sesión, el estudiante

analiza el esfuerzo térmico como

resultado de la expansión térmica y

estudia qué es el calor específico y

capacidad calorífica de las sustancias

y su aplicación en calorimetría.

10/03/2012 FISICA 2 2

Agenda de la sesión de clases

Análisis de esfuerzo térmico.

Definición de cantidad de calor.

Definición de calor especifico.

•Resolución de ejercicios aplicativos.

•Cierre.

20/04/23 Los profesores 3

Esfuerzo TérmicoSi sujetamos una varilla fuertemente para evitar su expansión o compresión por el cambio de temperatura, aparecerán esfuerzos de tensión o compresión llamados esfuerzos térmicos. Estos esfuerzos pueden ser tan grandes que deformen la varilla o incluso la rompan.Los ingenieros deben tomar en cuenta los esfuerzos térmicos en el diseño de estructuras. Para ello se consideran espacios entre secciones para evitar estos esfuerzos debido al cambio en la temperatura.El cambio en la longitud de una varilla por el cambio de temperatura sería:

La magnitud física que mide la capacidad que tienen los materiales a estirarse o contraerse debido a los esfuerzos de tensión o compresión se llama Módulo de Young.

TL

L

térmico

0

• Por definición:

• Donde F: Tensión o compresión; A: área de la sección transversal ; Y: módulo de Young.

• Si la longitud de la varilla permanece constante (debido a que se fija en ambos extremos),

• Despejando el esfuerzo de tensión F/A para mantener constante la longitud de la varilla:

AY

F

L

L

LL

AFY

tensión

00

000

AY

FT

L

L

L

L

tensióntérmico

térmico)(EsfuerzoTYA

F

CalorEl calor es la forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperaturas.El calor es el tipo de energía que se quita o se da a la energía interna del cuerpo; esto es, a la energía relacionada con el movimiento mecánico de las partículas.Por ser un tipo de energía, la unidad en el SI es el joule. Sin embargo, también se utilizan otras unidades.1 caloría (cal). Es la cantidad de energía que es necesaria transferir para aumentar la temperatura de 1 g de agua de 14,5°C a 15,5°C.

1 Btu eleva la temperatura de 1 lb de agua en 1ºF (De 63ºF a 64ºF).

1 Btu = 252 cal = 1055 J

1T

2T

Flujo de calor

T1 > T2

El flujo de calor tiene lugar por la diferencia de temperaturas

Cuando las paletas realizan trabajo, ocurre una transferencia

de energía

James Prescott Joule demostró que cuando se realiza trabajo sobre el sistema como se muestra en la figura, el agua se calienta.Él encontró que por cada 4,186 J de trabajo invertido, la temperatura del agua aumentaba en 1ºC aproximadamente. A esta relación se le denomina equivalente mecánico del calor.

W Q

Equivalente mecánico del calor

1 cal =4,186 J

• Calor requerido para cambiar la temperatura de la masa m

• c , llamado calor específico, es una cantidad diferente para cada material (o capacidad calorífica) del material.

Calor específico¿De qué factores depende la cantidad de calor que se transfiere a un cuerpo?

– De la masa,– Del tipo de sustancia,– De la diferencia de temperaturas (inicial

y final)

Q = m c T

Q

[c] = cal / g °CT1

T2

mcdTdQ

dTdQ

m1

c

TmcQ

Calor específicoLos calores específicos del acero y del galio son 460 J/kg.K y 370 J/kg.K. Por tal razón, se necesita diferente cantidad de calor en cada metal para producir la misma variación de temperatura.

Q es positiva cuando ingresa y negativa cuando sale del cuerpo.DT es positiva cuando la temperatura del cuerpo aumenta. Es negativa cuando la temperatura disminuye.

El calor específico mas grande corresponde al agua.

c H20 = 4 190 J / kg. K = 1 cal/g.°C

T = 30°C

1 mol -Expresa la cantidad de sustancia en el sistema SI1 mol de sustancia contiene el mismo número de moléculas: 6,023 1023

La masa de 1 mol de un compuesto es numéricamente igual al peso molecular expresado en gramos

1 mol de H20 ................ 18,00 g/mol1 mol de H2 ................ 2,00 g/mol1 mol de N2 ................ 28,00 g/mol

Capacidad calorífica molar

Q = n M c TQ = n C T

m = n M

CH20 = 75,4 J/mol. K

Sustancia

Calor específico (J/kg.K)

M (kg/mol)

Capacidad calorífica molar (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 (0°C)

2100 0,0180 37,8

Hierro 470 0,0559 26,3

Plomo 130 0,207 26,9