Cuadernillo de Termodinámica PDF

# Apertura Es común pensar cuál es el uso de la termodinámica en la vida diaria cuando el profesor desarrolla este tema, incluso, muchas personas llegan a considerar que es una ciencia que se puede desarrollar a través de experimentos controlados en un laboratorio, sin embargo, la puedes estar produ...

# Apertura Es común pensar cuál es el uso de la termodinámica en la vida diaria cuando el profesor desarrolla este tema, incluso, muchas personas llegan a considerar que es una ciencia que se puede desarrollar a través de experimentos controlados en un laboratorio, sin embargo, la puedes estar produciendo ahora mismo. La termodinámica no es más que el estudio del paso de energía de un cuerpo, que por consiguiente puede también transformarse o deformarse debido al incremento de calor procedente de la combustión energía liberada; en realidad sus leyes están presentes en el ambiente y, por lo general, pasan desapercibidas. En el primer parcial se mencionó que durante el movimiento de los cuerpos se llevan a cabo transformaciones de energía. La fuerza aplicada para generar o detener el movimiento de un objeto indica el trabajo que se necesita y a su vez la potencia que produce. Durante el desarrollo de este parcial se relacionará el concepto de energía con otras manifestaciones, como los cambios de temperatura y la relación que existe entre el trabajo y la cantidad de calor que se genera como intercambio en el sistema. Observa las siguientes imágenes y coloca debajo de cada una el tipo de energía al que pertenece, apóyate en las siguientes opciones. - Energía eólica - Energía hidráulica - Energía geotérmica - Energía nuclear - Energía solar - Energía eléctrica. **Imagen 1:** Energía solar **Imagen 2:** Energía hidráulica **Imagen 3:** Energía geotérmica # Desarrollo ¿De dónde viene la energía, a dónde va y mientras tanto que hacemos con ella? Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía. La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Él es la causa de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Su calor y su luz son la base de la fotosíntesis en el mundo vegetal con la generación del oxígeno y la absorción del $CO_2$, y de otras innumerables reacciones químicas indispensables para la vida de los vegetales y de los animales. Con el paso de los milenios y la concurrencia de situaciones muy específicas, los restos del mundo vegetal y animal enterrados han originado los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas. Si recordamos el principio de la conservación de la energía, afirmaremos de manera incuestionable que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma. Por tanto, si necesitamos obtener energía, tendremos que partir de algún cuerpo que la tenga almacenada y pueda experimentar una transformación. A estos cuerpos se les llama fuentes de energía. Las fuentes energéticas más buscadas son aquellas en las que la energía está muy concentrada (mucha energía por unidad de masa). Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, uranio, etc. Por el contrario, tenemos otro tipo de fuentes cuya concentración energética es muy baja y a las que llamamos energías difusas. Estas presentan una gran dificultad para su captación, primero, y para la generación energética de cantidades suficientes de energía, después, por su variabilidad climatológica o por requerir enormes extensiones de terreno. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, etc. La energía se transforma de una forma a otra, sin embargo, en el proceso parte de esta puede convertirse en energía poco útil, por ello, el ser humano ha desarrollado diferentes mecanismos para aprovecharla. (Narvaez Espejo, 2019) # Algunos ejemplos de energía aprovechadas por el ser humano. | Energía | Ejemplos | |---|---| | Energía mecánica | Podadora, Bicicleta, Tijeras, Martillo | | Energía eléctrica | Computadora, Licuadora, Impresora, Televisión | | Energía térmica | Estufa, Fogón, Fogata, Sol | # ¿Cuántos y cuáles son los tipos de energía que existen? Observa las formas de energía en el siguiente simulador: [enlace] ## Energía Mecánica La rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas se denomina mecánica. En un cuerpo existen fundamentalmente dos tipos de energía que pueden influir en su estado de reposo o movimiento la energía cinética y la potencial. Llamamos energía mecánica $E_m$ de un cuerpo a la suma de la energía cinética $E_c$ y potencial $E_p$ que posee: $E_m = E_c + E_p$ ## Energía eólica La energía eólica es aquella que se obtiene a partir de la fuerza del viento. ¿Cómo? A través de un aerogenerador que transforma la energía cinética de las corrientes de aire en energía eléctrica. El proceso de extracción se realiza principalmente gracias al rotor, que transforma la energía cinética en energía mecánica, y al generador, que transforma dicha energía mecánica en eléctrica. Hablamos de una energía renovable, eficiente, madura y segura clave para la transición energética y la descarbonización de la economía. ## Energía solar. La energía solar es una energía renovable obtenida a partir de la radiación electromagnética del Sol. Se trata de una energía renovable porque se obtiene de una fuente natural e inagotable, en este caso el Sol. La energía solar es una de las fuentes de energías renovables más fáciles de producir, especialmente la solar fotovoltaica, lo que está haciendo que se esté extendiendo su uso en las zonas climáticas con más horas de sol. ## Energía hidráulica. La energía hidráulica es un tipo de energía renovable de alto rendimiento energético que aprovecha la energía cinética de la corriente del agua. Esto se traduce en que el coste de generación de electricidad es muy bajo. Pero su uso no está más extendido ya que solo se puede producir en lugares muy determinados. De forma indirecta tiene al Sol como origen. La radiación solar en forma de calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a su vez se transformarán en lluvia o en nieve, asegurando así la perennidad del ciclo. Luego, el efecto de la gravedad terrestre permite aprovechar los caudales de agua descendentes gracias a las presas que se construyen para retenerla en embalses o pantanos artificiales. Estos constituyen grandes depósitos energéticos o de abastecimiento. ## Energía biomasa. La energía de biomasa o bioenergía es un tipo de energía renovable procedente del aprovechamiento de la materia orgánica e industrial formada en algún proceso biológico o mecánico, generalmente es sacada de los residuos de las sustancias que constituyen los seres vivos (plantas, ser humano, animales, entre otros), o sus restos y residuos. El aprovechamiento de la energía de la biomasa se hace directamente (por ejemplo, por combustión), o por transformación en otras sustancias que pueden ser aprovechadas más tarde como combustibles o alimentos. Por esos motivos producir energía con la biomasa es un sistema ecológico, que respecta el medio ambiente y además no tiene muchos gastos. ## Energía geotérmica. La energía geotérmica es una energía renovable que aprovecha el calor del subsuelo para climatizar y obtener agua caliente sanitaria de forma ecológica. Aunque es una de las fuentes de energía renovable menos conocidas, sus efectos son espectaculares de admirar en la naturaleza. Suecia fue el primer país europeo en utilizar este tipo de energía, como consecuencia de la crisis del petróleo de 1979. En otros países como Finlandia, Estados Unidos, Japón, Alemania, Holanda y Francia la geotermia es una energía muy conocida e implantada desde hace décadas. ## Energía nuclear. La energía nuclear es aquella que se genera mediante un proceso en el que se desintegran los átomos de un material denominado uranio. La energía que libera el uranio al desintegrarse sus átomos produce calor con el que se hierve el agua que se encuentra en los reactores nucleares. Al hervir, el agua genera vapor con el que se mueven las turbinas que se encuentran dentro de los reactores, consiguiendo así producir electricidad. ## Energía Mareomotriz o energía de las mareas: Se basa en aprovechar la marea, el ascenso y descenso del agua del mar, producido por la acción gravitatoria del Sol y la Luna. Así la energía potencial de las mareas de convierte en energía eléctrica mediante el movimiento de una turbina, como en las centrales hidroeléctricas. # Actividad de aprendizaje Relaciona el tipo de energía que se presenta en la imagen indicando en el paréntesis el numero correcto. - Biomasa _(1)_ - Solar _(2)_ - Geotérmica _(3)_ - Hidráulica _(4)_ - Mareomotriz _(5)_ - Eólica _(6)_ Esta actividad la puedes realizar en: [enlace]. # ¿En qué se utilizan las calorías que consumimos en los alimentos? Nos alimentamos para adquirir energía y proporcionarle al organismo los nutrientes necesarios para su construcción, mantenimiento y reparación. # Aunque estemos en reposo, nuestro organismo necesita energía para mantenerse vivo. Esta actividad que se llama "gasto energético basal", según diversos estudios, en un adulto sano, puede requerir entre 1000 y 1200 calorías/día. Observa un video sobre la cantidad de calorías que consumimos en los alimentos. [enlace] Por ejemplo, ciertos órganos como el hígado, cerebro, corazón y riñones, en condiciones normales suponen el 60-70 % de gasto total del organismo, a lo que hay que sumar la energía que se utiliza en la síntesis y formación de nuevos tejidos y que es más elevada en las etapas del crecimiento, lactancia y embarazo. También hay que considerar el gasto de energía que se produce al ingerir alimentos y poner en marcha los procesos de digestión. Viene a suponer un 10% del gasto total. El nutriente cuya ingesta induce mayor gasto son las proteínas, seguidos de lejos por los carbohidratos y la grasa que estimula un gasto mínimo. # ¿Qué tipo de energía se requiere para el buen funcionamiento de mi cuerpo? Como muchos otros mamíferos, los seres humanos somos seres homeotermos; es decir, para que nuestro cuerpo funcione correctamente necesitamos mantener una temperatura interna constante, cercana a los $37°C$. Con esta temperatura, podemos mantener el corazón y el sistema nervioso funcionando, los músculos en alerta, los intestinos trabajando. # Para mantener toda esta actividad, obtenemos nuestra energía sólo de los alimentos. De acuerdo a la cadena alimentaria, la especie humana obtiene los nutrientes y la energía a partir de plantas y animales. La energía va desde el alimento a nuestro cuerpo, para desarrollar diversas funciones mediante transformaciones de la energía. Tomemos, por ejemplo, el pan. Está hecho de trigo y posee fundamentalmente carbohidratos, que son energía química almacenada. Cuando se come pan, el cuerpo adquiere esa energía. Puede utilizarla de inmediato para moverse, para mantener la temperatura, para hacer funcionar el sistema nervioso o almacenarla. Así, el organismo transforma la energía química de los alimentos en energía mecánica (movimiento), energía térmica (calor), energía eléctrica (transmisión de impulsos nerviosos) o como reserva en grasas. # ¿Por qué es importante hacer buen uso de las diversas fuentes de energía? Existen dos grandes tipos de energía; las renovables y las no renovables. | Energía | Tipo | |---|---| | Solar, Hidráulica, Eólica, Biomasa, Mareomotriz, Geotérmica | Renovables | | Petróleo, Uranio, Gas natural, Carbón | No renovables | # ¿Sabías que... el frío no existe? Todos lo hemos sentido, pero el frío como tal no existe, aunque en estos días de invierno y temporal suene raro: no puedes medir la cantidad de frío de una cosa sino su temperatura, y es precisamente la pérdida de temperatura, la pérdida de energía de los átomos que nos forman, lo que hace que tengamos la sensación que llamamos frío. Para que se produzca esa pérdida de temperatura nuestros átomos tienen que acercarse, aunque nunca estarán en contacto con ellos, a otros a los que pasarles el calor, otros que estén a menos temperatura, otros que se muevan menos. Por eso se muere de frío más rápido sumergido en agua que en nieve, ya que la primera tiene más átomos que la segunda en el mismo volumen; por eso puedes meter la mano en un horno caliente sin quemarte, pero si tocas una sartén a la misma temperatura te quemas, pues el aire tiene muchos menos átomos en el volumen de este que rodea tu piel que la sartén en la superficie en la que la tocas. Así que el frío es en realidad el universo que te roba calor; el frío no entra por una ventana mal aislada o abierta, es el calor el que sale. Estar vivos supone, por el contrario, acumular energía y guardárnosla para hacer cosas con ella; que sean más o menos interesantes ya depende de ti. # Calor y temperatura Cuando hablamos acerca de temperatura y calor, estamos abordando conceptos que están inmersos en nuestro diario vivir. Al hablar acerca de temperatura, se suele pensar en algún cuerpo u objeto que está caliente o frío. Incluso se le puede atribuir cierta expresión numérica como $40°C$, pero dicho número no se puede determinar directamente. Por tal motivo, solo se puede medir por sus efectos o haciendo uso de una herramienta específica. El calor por su parte, no tiene forma ni volumen. En general lo que conocemos acerca de calor es la sensación que experimentamos ante una temperatura elevada. Muchos hemos escuchado la siguiente expresión en un día soleado: "¡Que calor!" Sin embargo, debemos detenernos a pensar: ¿será calor lo que sentimos? ¿Qué diferencia hay entre calor y temperatura? La diferencia entre calor y temperatura radica en que el calor se define como el movimiento o intercambio de energía entre cuerpos, mientras que la temperatura es la medida de la agitación de las moléculas de un cuerpo. La relación entre calor y temperatura es que para que la temperatura de un cuerpo cambie debe haber una transferencia de calor. # ¿Qué es la temperatura? La temperatura es la magnitud física que mide la energía cinética de las moléculas y el estado térmico de un cuerpo. Esto es, mientras más caliente esté el cuerpo, mayor es su agitación molecular, por el contrario, cuanto más frío esté el cuerpo, menor es su agitación molecular. Lo que tú sientes al tocar un cuerpo es la vibración o agitación de las partículas que lo forman. A mayor temperatura, hay mayor agitación de las partículas. Por ejemplo, si frotas tus manos, sentirás que la temperatura de estas aumenta, sientes que se calientan; por lo tanto, la temperatura tiene que ver con el estado de agitación. Toda la materia está formada por átomos, los cuales, a su vez, forman moléculas. En los distintos estados de materia, vemos distintas distribuciones y distancias entre estas moléculas. Pero todas estas partículas no se encuentran en un estado de reposo, sino que se encuentran vibrando con respecto a un punto de equilibrio. Cuando entregas energía a un cuerpo, por ejemplo, cuando lo pones al Sol, esta energía se acumula en el cuerpo en forma de energía cinética, es decir, aumenta el estado de movimiento de las partículas. Es necesario tener claro que la temperatura es una medida de comparación entre los distintos estados de agitación de las partículas, esto es, si la temperatura de un objeto A es mayor que la temperatura de un objeto B es porque las partículas que forman el cuerpo A tienen en promedio, mayor agitación que las del cuerpo B. Como la temperatura depende del movimiento de las partículas, podemos entender la temperatura como un indicador de la energía cinética molecular interna media de una sustancia. E E E E E E E E E E E E E E E E E La energía cinética es la energía asociada al movimiento. Mientras mayor sea la rapidez de una partícula, mayor será su energía cinética. E E E E E E E E E E E E E E E E E Menor energia cinética Mayor energía cinética # Los termómetros Existen termómetros de distintos tipos, los más conocidos son los siguientes: - **Termómetro de vidrio:** es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido en su interior, comúnmente mercurio o alcohol. El mercurio (o alcohol) se expande o contrae al aumentar o disminuir su temperatura. Al estar graduado, el termómetro indica la temperatura correspondiente. - **Termómetro bimetálico:** está formado por dos metales con distinto coeficiente de dilatación. Al aumentar la temperatura, la tira metálica varía de longitud, curvándose, lo que permite medir la temperatura. - **Termómetro a gas:** también utiliza la dilatación térmica. Son termómetros que aplican el comportamiento de los gases ideales: al tener una presión o volumen constante se puede determinar la variación de temperatura. Normalmente se utilizan para calibrar otros termómetros debido a su gran precisión. - **Termómetro digital:** una de las propiedades que cambia con la temperatura es la resistencia eléctrica, por lo tanto, cambia la corriente que circula por el circuito. En estos termómetros, un circuito eléctrico registra estas variaciones y mediante un chip se muestra en una pantalla digital numéricamente el valor de la temperatura. # Midiendo la temperatura Cuando has sospechado estar con fiebre, lo más probable es que hayas medido tu temperatura con un termómetro. Los termómetros son utilizados para medir la temperatura de acuerdo a escalas de medida bien definidas. Las tres escalas de temperatura más comunes son: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Una escala de temperatura puede ser creada identificando dos temperaturas fácilmente reproducibles. Las temperaturas de ebullición (cambio de estado líquido a vapor) y de fusión (cambio del estado sólido al líquido) del agua, a una atmósfera de presión, son ejemplos de parámetros utilizados. # La temperatura en una persona por medio del termómetro clínico, permite controlar estados febriles o de fiebre. Este instrumento es crucial para controlar que la temperatura de un bebé, por ejemplo, se mantenga a la temperatura que le corresponda para su edad. Una elevada temperatura en un infante puede ser riesgosa para su salud y de no controlarse a tiempo, para su vida. Los siguientes son los rangos de temperatura ideal del cuerpo en humanos, según la edad. | Edad | Grados centígrados (°C) | |---|---| | Recién nacido | 36.1-37.7 | | Lactante | 37.2 | | Niños de 2 a 8 años | 37.0 | | Adultos | 36.0-37.0 | # Escalas de temperatura Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia tal como se describe enseguida. ## La escala Celsius El grado Celsius (en símbolo en °C), es la unidad de una escala de medición de temperatura, lleva el nombre del astrónomo sueco Anders Celsius (1701 – 1744), quien lo propuso por primera vez en 1742. La escala Celsius es una escala para indicar la temperatura en la que los intervalos de temperatura son grados Celsius. La escala Celsius fija el punto de fusión del hielo en una mezcla de agua saturada con aire a 0°C y el punto de ebullición a 99.974°C en condiciones de presión estándar (1 bar, un poco menos que una atmósfera, presión en el que el agua hierve a 100 grados Celsius). ## La escala Fahrenheit El grado Fahrenheit (representado como °F ) es una escala temperatura propuesta por el físico e ingeniero alemán Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala establece como las temperaturas de congelación y ebullición del agua, 32 °F y 212 °F, respectivamente. El método de definición es similar al utilizado para el grado Celsius (°C). Esta escala se utilizaba en la mayoría de los países anglosajones y Puerto Rico para todo tipo de uso. Desde la década de 1960 varios gobiernos han llevado a cabo políticas tendientes a la adopción del sistema internacional de unidades y su uso fue desplazado. Sin embargo, todavía se usa la medida en los Estados Unidos y en determinadas industrias muy rígidas, como la del petróleo. Además, se utiliza esta escala en los informes meteorológicos y en gastronomía. La escala Celsius (°C) toma en cuenta el valor 0° para el punto de fusión del agua, mientras que el punto de ebullición del agua corresponde a 100°. En el caso de la escala Fahrenheit (°F), la más utilizada en Estados Unidos, por ejemplo, el punto de fusión del agua está a los 32°F y el de ebullición a los 212°F. Es muy importante recordar que la variación en temperatura de un grado Celsius es mayor a la variación en temperatura de un grado Fahrenheit. Solo 100°C cubren el mismo rango que 180°F. ## La escala absoluta: grados Kelvin Esta escala mide el valor de la temperatura comenzando en el cero absoluto: la temperatura más baja que puede existir. El símbolo de esta unidad es K. Tomando la base del grado centígrado o Celsius, por lo tanto, 0K equivale a -273.15 ºC. Esto quiere decir que 0K es el cero absoluto, el punto en que los átomos y las moléculas presentan la menor energía térmica posible. No existe sistema macroscópico que pueda alcanzar una temperatura inferior a este cero absoluto, de allí su denominación. # Actividad de aprendizaje Resuelve la siguiente sopa de letras - ENERGIA TERMICA - TEMPERATURA - CONDUCCION - CONVECCION - FAHRENHEIT - RADIACION - CELCIUS - KELVIN Esta actividad la puedes realizar en: [enlace]. # Conversión de escalas de temperaturas Veamos gráficamente cómo están relacionadas las tres escalas de temperatura: De la imagen podemos deducir las fórmulas de conversión entre escalas. Por ejemplo, podemos ver que la diferencia entre la temperatura de fusión y la de ebullición del agua es de 100 grados en la escala Celsius y de 180 grados en la escala Fahrenheit, y que $0°C$ equivale a $32 °F$. Con estos datos, obtenemos que: $°C = \frac{100}{180} (°F-32)$ $°C = \frac{5}{9} (°F-32)$ Del mismo modo, podemos despejar $°F$ en función de $°C$. En el caso de Celsius y Kelvin, la conversión es mucho más sencilla, ya que, como indicamos líneas arriba, la variación de temperaturas es equivalente en ambas. Al observar el gráfico, tenemos que: $0°C = 273K$ y $100°C = 373K$. De esto, podemos deducir fácilmente que: $°C = K - 273$. # Tabla de conversión | Para convertir | Ecuación | |---|---| | Celsius a Fahrenheit | $°F = \frac{9}{5} (°C) + 32$ | | Fahrenheit a Celsius | $°C = \frac{5}{9} (°F) - 32$ | | Celsius a Kelvin | $K = °C +273$ | | Kelvin a Celsius | $°C = K-273$ | | Fahrenheit a Kelvin | $K = \frac{5}{9} (°F - 32) + 273$ | | Kelvin a Fahrenheit | $°F = \frac{9}{ 5} (-°K - 273) + 32 $ | # Ejemplos Si la temperatura interior en una casa es de $10°C$, ¿cuál será la temperatura en escala Fahrenheit? | Datos | Formulas y despeje | Sustitución | Resultado | |---|---|---|---| | $°C = 10$ | $°F = \frac{9}{5} (°C) + 32$ | $°F = [\frac{9}{5} (10)] + 32$ | La temperatura en escala Fahrenheit es de 50 | | $°F = ?$ | | $°F = (18) + 32$ | | La temperatura en verano en la ciudad de Monterrey ha llegado a alcanzar los $110°F$. Expresa esta temperatura en grados Celsius. | Datos | Formulas y despeje | Sustitución | Resultado | |---|---|---|---| | $°F = 110$ | $°C = \frac{5}{9} (°F)-32$ | $°C = \frac{5}{9} (110-32)$ | La temperatura en escala Celsius es de 43.33 | | $°C = ?$ | | $°C = \frac{5}{9} (78)$ | | La temperatura del cuerpo humano es aproximadamente de $37°C$. Expresa esta temperatura en escala Kelvin | Datos | Formulas y despeje | Sustitución | Resultado | |---|---|---|---| | $°C = 37$ | $K = °C + 273$ | $K = 37 + 273$ | La temperatura en escala Kelvin es de 310 | | $K = ?$ | | | | # Práctica lo aprendido Completa la siguiente tabla convirtiendo a las escalas faltantes. En la que se presentan las temperaturas de algunas ciudades del mundo. | Ciudad (país) | Temperatura en °C | Temperatura en °F | Temperatura en K | |---|---|---|---| | Paris (Francia) | 15 | 59 | 289 | | Hong Kong (China) | 25 | 78 | 298 | | Singapur (Singapur) | 27 | 30 | 300 | | Ginebra (Suiza) | 12 | 53 | 285 | | Nueva York (EE. UU) | 18 | 65 | 277 | | Los Angeles (EE.UU) | 24 | 75 | 297 | | Cd de México (México) | 20 | 63 | 293 | | Montevideo (Uruguay) | 17 | 62 | 290 | | Rio de Janeiro Brasil (Brasil) | 23 | 75 | 296 | | Buenos Aires (Argentina) | 22 | 71 | 295 | # ¿Qué es el calor? En muchas ocasiones sentimos que está haciendo demasiado calor y pensamos que deberíamos ir a nadar o a comprar un helado, pero ¿sabemos qué es el calor? Cuando dos cuerpos que están a diferentes temperaturas se ponen en contacto entre sí, hay una transferencia de energía del objeto más caliente al más frío, y no a la inversa, hasta alcanzar el equilibrio que se produce cuando ambos cuerpos tienen la misma temperatura. Se transfiere de tal forma que después de cierto tiempo alcanzan una misma temperatura, a este fenómeno se le llama equilibrio térmico. La definición de calor en física es la transferencia de energía térmica que fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro de menor temperatura. El equilibrio térmico se alcanza cuando la temperatura entre ambos cuerpos es la misma. En física no existe tal concepto como "la cantidad de calor de un cuerpo". El calor involucra una transferencia de energía interna de un lugar a otro. La energía interna (U) es la energía asociada con los átomos y moléculas del cuerpo. La energía interna incluye a la energía cinética y potencial, asociadas con los movimientos de translación, rotación y vibratorios que se presentan de manera aleatoria por las partículas que forman al cuerpo y cualquier energía potencial que genere enlaces manteniendo a las partículas unidas. La unidad para medir el calor en el SI se utiliza el Joule (J). Pero también se puede medir en calorías (cal), kilocalorías (kcal). Algunos equivalentes del calor en las unidades anteriores son: - 1 cal = 4.18 J - 1 kcal = 41800 J - 1 kcal = 1000 calorías # ¿Cómo se transfiere el calor? La transferencia de calor entre los cuerpos, se realiza de tres formas diferentes: - **Conducción** Es el proceso mediante el cual el calor se transfiere directamente a través de un material, sin ningún movimiento neto del material. Por ejemplo, si acercas una varilla de metal a una flama, el calor que la flama emite se conduce al metal y éste a tu mano. Observa los mecanismos de transferencia de calor en el siguiente link. [enlace] - **Radiación** Es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. La energía radia te se transporta mediante ondas electromagnéticas. Por ejemplo, por la radiación nos llega el calor del sol, así como también por la radiación podemos sentir el calor que se desprende de un foco encendido si acercamos la mano. - **Convección** Es el proceso por el cual el calor se transfiere a través de un fluido por el movimiento del mismo. Por ejemplo, cuando se pone a calentar un recipiente con agua, ésta al calentarse en la parte inferior se dilata y disminuye su densidad, por lo que el agua caliente asciende y transporta así el calor de la parte inferior a la parte superior, generando un movimiento interno de las partículas. # Completa el siguientes esquema : ¿Cómo se transmite el Calor? - Conducción - Convección - Radiación # Dilatación de los cuerpos. ## Dilatación lineal Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras... Un ejemplo aún muy claro, está en las vías del tren. Si nosotros caminamos a un lugar donde pasa el ferrocarril observaremos y apreciaremos mejor. Dicha junta es también colocada por efectos de la dilatación lineal: La dilatación lineal de un cuerpo viene dada por la expresión: $1 = 1_o (1 + aΔT)$ Donde: - lo: Longitud inicial del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m) - a: Coeficiente de dilatación lineal. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-¹, aunque también se usa el ºC-1 - AT: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K), aunque también se usa el °C Tabla 1. Coeficientes de dilatación lineal | Sustancia | Coeficiente de dilatación lineal (°C-1) | |---|---| | Acero | 1.1 X 10-5 | | Aluminio | 2.4 X 10-5 | | Latón | 1.8 X 10-5 | | Concreto | 0.7-1.2 X 10-5 | | Cobre | 1.7 X 10-5 | | Vidrio Pyrex | 0.3 X 10-5 | | Vidrio común | 0.9 X 10-5 | | Hierro | 1.2 X 10-5 | | Plata | 2 X 10-5 | | Zinc | 2.6 X 10-5 | | Diamante | 9 X 10-5 | | Tungsteno | 4.0 X 10-5 | El coeficiente de dilatación de un material es como la huella digital de una persona, ayuda a identificarla. **Ejemplos:** Los rieles de una vía de tren de acero, tienen 1500 m de longitud. ¿Qué longitud tendrá cuando la temperatura aumente de 24°C a 45°C? **Solución:** Si bien se sabe, los rieles en las vías del ferrocarril, normalmente se le coloca un espacio entre ellas a cierta distancia para cuando este material se dilate a ciertas horas del día. | Datos | Formulas y Despeje | Sustitución | Resultado | |:---:|:---:|:---:|:---:| | lo = 1500m | 1 = 1o (1 + aΔT) | 1=1500m[1+ 1.1x10-5°C-1(45°C-24°C)] | Las vías del tren se han dilatado solo 0.3465 metros, es decir 346.5 milímetros, muy poco, pero significativo para la distancia entre las juntas de riel. | | Lf = ? | | 1 = 1500m[1+ 1.1x10-5°C-1(21°C)] | | | T₁ = 24°C | | 1 = 1500m[1 + 2.31x10-] | | | Tf= 45°C | | 1= 1500m(1.000231) | | | a = 1.1×10-5 °C-1 | | 1= 1500.3465m | | 1. Una tubería de acero mide 25 a 20°C. Hasta que longitud se dilatará cuando por esta tubería pase vapor de agua a 100 °C? - Lo=25m - T:= 70°C - Tf=100°C - α=1.7×10^-5 °C 25m1+1.7×10^-5 (100°C-20°C=90°c) Lf = 25m.1.2×10^-5°C 30°C = 0.024m 25m + 0.024m = 25.024m A) 26,24 m B) 25,024 m C) 20,092 m D) 26,024 m 2. Determine el coeficiente de dilatación lineal de un metal, si un tubo de este metal mide 1m a 20°C y cuando transporta vapor a 95°C se estira hasta 1,003 m. - Lo=1m - Tf = 95°C - Ti = 20°C - Lf=1.003 m ΔT= 95°C-20°c = 75°C 0.003m = a(75°C) a = 4 x 10^-5 °C A) 6,10-5 °C-1 B) 4,2,10-5 °C-1 C) 4,10-5 °C-1 D) 5,10-5 °C-1 # Dilatación superficial. Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas. El coeficiente de dilatación superficial es el doble del lineal. La dilatación superficial de un cuerpo viene dada por la expresión: S = So(1 + σΔΤ) Donde: - S, So: Área final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cuadrado (m²) - σ: Coeficiente de dilatación superficial. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-¹, aunque también se usa el ºC-1 - AT: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K), aunque también se usa el ºC. # Dilatación Volumétrica o cúbica Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de los jardines. La dilatación volumétrica de un cuerpo viene dada por la expresión: V = V_o (1 + βΔΤ) Donde: - V, Vo: Volumen final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo (m³) - β: Coeficiente de dilatación volumétrica o cúbica. Su unidad de medida en el