"Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal LOGROS: . Diferencia los conceptos físicos de de calor y temperatura de los cuerpos. . Distingue las diferentes formas de transferencia de calor. . Halla la cantidad de calor de una sustancia. . Realiza conversiones de Temperatura de una escala a otra. . Aplica las leyes de la termodinámica. ORIGENES Inicialmente los pueblos primitivos se reunían en pequeños grupos de individuos, para recibir el calor de una hoguera; y en el siglo XVlll, las gentes pensaban que esta era una sustancia material que fluía hacia ellos con una enorme rapidez y que poseía masa. Los físicos pensaban que dos cuerpos teniendo la misma masa, al calentar uno de ellos, éste debería pesar más que el primero. Mas adelante el físico Benjamín Thompson quien era muy aficionado a estudiar los fenómenos del calor, observaba continuamente como los metales se calentaban excesivamente al ser perforados por las taladradoras, y que esa absorción de calor era tanto mayor, cuanto mayor era el tiempo que duraba el taladrado. Si el calor es un fluido con peso y que pasa del taladro al metal, llegará un momento en que el taladro cederá tanto calor, que perderá todo su peso y acabará por desaparecer, cosa que no ocurre, por tanto el calor no puede ser material. Después Maxwell, cincuenta años después en el siglo XVlll, comprobó en su teoría cinética de los gases, que este planteamiento de Thompson era cierto. El calor no es “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 1 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal más que una forma de manifestar el movimiento de las partículas que forman el cuerpo forma también pensamos que cuanto mas caliente está un cuerpo, mayor cantidad de calor puede transferir. TEMPERTATURA Y CALOR Al calor se le denomina como energía en transito; esto significa que los cuerpos ceden o ganan calor, pero no lo poseen. Las experiencias más directas sobre Calor y Temperatura son aquellas que tienen lugar en nuestro propio cuerpo. Todos los días y por el sentido del tacto, podemos comprobar la existencia de cuerpos calientes y cuerpos fríos. La idea aproximada que tenemos sobre la Temperatura, es que cuanto mas caliente está un cuerpo, decimos que más Temperatura posee, y, de la misma La temperatura es una medida de la Energía Cinética media de las moléculas que constituyen un cuerpo. Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta la velocidad con las que se mueven dichas moléculas, y este aumento será tanto mayor, cuanto mayor sea la cantidad de calor recibida ó menor sea el número de moléculas que forman el cuerpo. Flujo de Calor entres dos gases Dos gases idénticos a temperaturas diferentes están separados por una barrera aislante. El gas más caliente contiene moléculas con mayor energía cinética media que las moléculas del gas más frío. Cuando se juntan los gases, la mezcla alcanza una temperatura de equilibrio situada entre las dos temperaturas iniciales. El calor fluye del gas más caliente al más frío hasta que la energía cinética media de sus respectivas moléculas se iguala “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 2 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal MEDIDA DE LA TEMPERATURA Estas tres escalas se relacionan entre si mediante la siguiente expresión: 100 180 100 C F 32 K 273 Exprese una temperatura de 30°C en grados Fahrenheit y en grados Kelvin SOLUCIÓN 100 180 10 F 32 540 30 F 32 F 32 540 F 86 10 Ahora: Existen tres escalas prácticas para medir y expresar la Temperatura como son: Kelvin, Fahrenheit y Centígrada. Escalas de temperatura. Comparación de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas está la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada en trabajos experimentalez, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. 100 100 10 K 273 300 30 K 273 K 303 MEDIDA DEL CALOR El físico Francés James Prescolt Joule, demostró cuantitativamente que un trabajo mecánico determinado, producía siempre una misma cantidad de calor, y para ello utilizó un dispositivo como éste: m mg T Agua “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 3 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal Al dejar caer las pesas desde diferentes alturas, la energía Potencial Gravitacional, se transforma en el trabajo capaz de hacer que se muevan las paletas del calorímetro y, como consecuencia de éste el agua se calienta. Y para una misma cantidad de agua siempre se obtiene el mismo aumento de Temperatura. Así encontró que para aumentar en 1°C cada gramo de agua, se necesita un trabajo de 4,18 Joules. 1 Caloría = 4,18 Joules Esta es el equivalente mecánico del calor. Luego las unidades del calor son la caloría y el Joule CALCULO DE CALOR Para que se produzca un aumento o disminución de Temperatura en un cuerpo que ha absorbido o desprendido calor, se necesitan tres factores que son: Por Radiación. Fundamentalmente es generado por la emisión de ondas electromagnéticas: La luz del sol, una bombilla, una flama, una hoguera. La radiación se produce porque los cuerpos calientes emiten una clase de luz de onda que pueden propagarse en el vacío, y que al ser absorbida por el cuerpo producen en él, un aumento de Temperatura. Se considera que un cuerpo absorbiendo calor, su temperatura aumenta: es decir que si un cuerpo absorbe calor, la diferencia de Temperatura T f Ti , es mayor que cero, en consecuencia el calor absorbido es positivo. Si el cuerpo que estamos considerando desprendiera calor en lugar de absorverlo, su Temperatura disminuiría; es decir que si un cuerpo desprende calor, la diferencia de Temperatura T f Ti es menor que cero, en consecuencia el calor desprendido es negativo. La masa m del cuerpo, El calor específico del cuerpo (Ce), y la diferencia de Temperatura inicial Ti y final Tf Estas tres variables están relacionadas mediante la expresión: 1. Si se calienta un trozo de metal, éste se dilata. Explique si ese metal también aumentaría de peso, debe dar argumentos físicos que sostenga la explicación. 2. Se calientan en el mismo calentador dos cantidades diferentes de una misma sustancia que se encuentran inicialmente a igual temperatura. La de menos masa se calienta más rápido? ¿Si?, ¿No?, ¿Por qué? Q m Ce T f T i TRANSMISIÓN DEL CALOR El calor producido por una fuente calórica se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión de calor puede hacerse por conducción, por convección y por radiación. 3. Si mezclas dos sustancias que tienen diferentes Temperaturas. Se puede afirmar: que______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ___________________________ Por Conducción. Generalmente este calor se propaga en los sólidos y consiste en la propagación de las vibraciones de sus moléculas. Por Convección. Esta es la forma en que se propaga el calor en los líquidos y los gases; se trata de una fuente o radiación de calefacción que calienta el aire que lo rodea, este aire por ser mas ligero que el aire frío, asciende, y el espacio que deja es ocupado por el aire frío, al calentarse también asciende produciendo unos movimientos de fluido. 4. ¿Puede adicionarse calor a una sustancia, sin que cambie su temperatura? ¿Qué pasa si esta sustancia es un gas?, ¿Un líquido?, ¿Un sólido? Explique. “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 4 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal 5. Exprese la Temperatura de una persona que tiene fiebre a 39°C, en grados Fahrenheit y grados Kelvin. 6. ¿Qué lecturas marcarían los termómetros Celsius y Kelvin, cuando la Temperatura es de 77°F y -31°F? 7. La temperatura del cuerpo humano es de 91°F. ¿Cuál es esta temperatura en grados Celsius y Kelvin? 8. Ser mezcla un cubo de hielo a un beaker que contiene 450 ml de agua en condiciones normales. Describe el fenómeno físico que se presenta.______________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ _____________________ 9. ¿Qué pasaría si la tierra estuviera cubierta de una capa densa de neblina, de modo que los rayos del sol no llegasen a su superficie? 10. estímese cuanto se elevaría la Temperatura del cuerpo humano, si retuviera las 2000 calorías de los alimentos de un día. Para una persona el valor del calor específico es de alrededor de 0,83 Cal C gr “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 5 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal ACTIVIDAD DE LABORATORIO Materiales: - 2 Beakers de 250 ml - 1 Termómetro - 1 Calentador o parrilla. - 1 Balanza. - 1 Cronómetro. 1- Pese cada uno de los Beakers y escriba los resultados en la tabla de datos. 2- Vacíe en cada uno 200 ml de agua y nuevamente péselos. Escriba en la tabla. 3- Con los datos anteriores calcule el peso del agua y escríbalos. 4- Mida la Temperatura del agua en cada beaker y escríbala (Temperatura inicial) 5- Coloque uno de los Beakers con agua en el calentador hasta que adquiera una Temperatura de 70°C 6- Pese de nuevo cada Beaker. ¿Aumentó o disminuyó el peso del agua? ¿Será el calor una sustancia? TABLA DE DATOS N° 1 Beaker Peso Beaker(g) Peso Beaker con agua (g) Peso del Agua(g) Temperatura Inicial (°C) Temperatura Final (°C) Peso final beaker con agua (g) 1 2 7. Vacíe 200 ml de agua en un beaker y en el otro 100 ml. mida la Temperatura en cada uno y escriba (Temperatura inicial). 8. Coloque los dos beakers en el calentador al mismo tiempo y con la ayuda del cronómetro, determine cual de las dos cantidades de agua ebulle primero. Escriba el tiempo en la casilla correspondiente. 9. Cuando una de las cantidades ebulla, mida la Temperatura en ambos beakers y escriba. 10. ¿Qué puedes concluir de la anterior? ¿se obtendrá los mismos resultados calentando 50 ml de agua en un beaker que en una probeta? TABLA DE DATOS N° 2 Beaker 1 2 Volumen (ml) 200 100 Temperatura Inicial (°C) Temperatura Final (°C) Tiempo de Ebullición (s) “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 6 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal 11. Vacíe en cada beaker, 100 ml de agua y coloque uno de ellos en el calentador hasta adquirir una temperatura de 80 ° C. Mida la Temperatura del agua en el otro beaker y escríbala (Temperatura inicial). 12. Mezcle los dos volúmenes de agua en un solo Beaker. 13. Mida la temperatura de la mezcla y escríbala. 14. ¿Que le sucedió a la Temperatura en cada una de las cantidades de agua? TABLA DE DATOS N° 3 Beaker 1 2 Temperatura Inicial 80°C Temperatura final mezcla 15. Toque la baldosa del piso. ¿Cómo la siente?_______________________________Mida la Temperatura del suelo_______________ 16. Toca la madera de tu asiento. ¿Cómo lo siente?_____________________________Mida la Temperatura del asiento________________ 17. ¿Por qué las temperaturas no son diferentes? 18. ¿La sensación de frío implica una disminución de temperatura del objeto? En la vida cotidiana podemos observar las siguientes situaciones: 1. Los rieles de las carrileras no son continuos, estos presentan ciertas separaciones. 2. Si tenemos un agujero en una lámina de hierro, al aumentar la temperatura de la lámina, el diámetro del agujero aumenta. 3. Para destapar un frasco de mermelada a veces calentamos la tapa para poderla abrir fácilmente. Los casos anteriores nos muestran como al aumentar la temperatura de un cuerpo, éste se dilata. Existen tres tipos de dilatación: Lineal, superficial y volumétrica. Estudiaremos la dilatación lineal. DILATACIÓN LINEAL. Esta tiene que ver con la variación de la longitud del cuerpo y la variación de la temperatura a la cual se somete. En el caso de una varilla de longitud inicial l o , el cambio de longitud l , está relacionado con la longitud inicial l o y con el cambio de Temperatura T , lo anterior se “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 7 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal puede expresar simbólicamente de la siguiente manera: 1. l lo T Una regla de acero tiene una longitud de 0,45 metros a una Temperatura de 18° C ¿Cuál será la longitud a 100° C? SOLUCIÓN ó lo que es lo mismo l K lo T dónde K es el coeficiente de dilatación lineal. Debemos recordar que l l f lo y que T T f To , entonces l f lo 1 K T l f 0,45m 1 12106C 1 82C l f 0,4504m 2. Responde la siguiente pregunta y justifica la respuesta. a. ¿Has notado que las personas cuando viajan a tierra caliente sufren inflamación, que se nota especialmente en las manos o en los pies? ¿A qué se debe éste fenómeno? b. Experimenta: l f lo K lo T l f lo 1 K T lo … l … El valor de K depende del material. TABLA DE COEFICIENES DE DILATACION SUSTANCIA COEFICIENTE DE DILATACIÓN Acero Cuarzo 12 106 6 24 10 6 26 10 14 106 0,4 106 Ámbar 0,9 106 Latón 20 106 20 106 0,4 106 Aluminio Zinc Cobre Plomo Silicio Tugsteno Vidrio común C 1 3. 4. Haz un agujero con una puntilla en un tarro vacío, cerciórate que ésta se deslice fácilmente en el agujero. Sujeta la puntilla con unas pinzas y caliéntala. Trata de introducir a hora las puntillas en el agujero. Entró la puntilla en el agujero. Da una explicación de lo sucedido. Si la puntilla del ejercicio anterior tiene una longitud de 4 cm. a una Temperatura ambiente de 20° C ¿Cuál será la longitud si al calentarse alcanza una Temperatura de 95º C? (material de la puntilla es acero). Halla el coeficiente de dilatación lineal de una varilla de hierro que a 20° C mide 200 cm. y cuya longitud a 90° C es de 200,17 cm. 4 106 9,0 106 “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 8 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal CAMBIOS DE ESTADO En el principio de la Conservación de la Energía consideramos como ésta se puede transformar en otras así: El fuego (Energía Calorífica) puede producir emisión de luz que es energía luminosa. Cada una de las sustancias que nos rodean se encuentra en estado físico característico. Por ejemplo, el aire es un gas, la gasolina es un líquido, el hierro es un sólido, etc. Sin embargo es posible encontrar estas sustancias en otros estados distintos al habitual. Así conocemos la existencia del hierro fundido o del butano líquido con el que se llenan los encendedores. ¿De qué depende el que una sustancia se encuentre en un estado físico determinado? . En primer lugar depende del tipo de sustancia que estamos considerando. También depende de la Temperatura: calentando se puede transformar en vapor toda el agua de un recipiente y enfriando esa misma agua se puede transformar en hielo. . La presión es el tercer factor a tener en cuenta. Si se somete una sustancia a grandes presiones, se puede conseguir que cambie de estado aunque no se modifique la Temperatura. El gas butano con el que se cocina, se encuentra en estado líquido dentro del cilindro que lo contiene y se transforma en gas al salir de él. Esto es debido a que la presión atmosférica es mucho menor que la presión a que está envasado el butano. El estado físico en el que se encuentra una determinada sustancia depende de la Temperatura y de la Presión a la que dicha sustancia se encuentra sometida. Modificando uno de estos factores o los dos, es posible conseguir que la sustancia cambie de estado. También se ha observado que podemos aumentar la energía térmica de un objeto, golpeándolo con un martillo, frotándolo contra otro, ó sometiéndolo a que reciba calor al ponerlo en contacto con otro objeto más caliente. Las anteriores situaciones muestran que podemos aumentar la energía interna de un objeto, si realizamos trabajo sobré él o si le suministramos calor. De la misma forma la energía disminuye si el sistema, cede calor o si realiza trabajo sobre otro sistema. Podemos concluir que se produce cambio en la energía interna de un sistema (aumento), cuando se le suministra calor, ó (disminución) cuando el sistema realiza trabajo sobre otro sistema. Si Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema, el cambio en la energía interna del sistema U , está dado por: U Q W , Esta expresión se conoce como la primera ley de la termodinámica, que habla del principio de conservación de la energía aplicada a un sistema, cuando se consideran los procesos termodinámicos producidos en él. El calor suministrado a un sistema se transforma en aumento de la energía interna y/o trabajo realizado por el sistema “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 9 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal Procesos La eficiencia ideal o eficiencia de carnot esta dada por: Proceso cíclico En este el calor que recibe el sistema se transforma en trabajo y no hay cambio en su energía interna ∆U = 0 Y entonces, Q=W Proceso adiabático En este el sistema no gana ni pierde calor esto es, Q=0 En tanto, el cambio de energía interna es igual al trabajo. ∆U = -W Proceso isovolumétrico En este no hay cambio de volumen, por tanto no hay trabajo. ∆U = Q e : ( Tc – Tf ) Tc En donde T es la temperatura del foco caliente en kelvin y t la temperatura del foco frío. Por ejemplo, si en una maquina de vapor el foco caliente esta a 500K y el foco frío a 300K, su eficiencia es: e = ( 500 - 300 ) = 0.4 500 Esto es, una eficiencia del 40% Si la temperatura del foco caliente se subiera a 600K, la eficacia pasaría a E = ( 600 - 300) = 0.5 ó 50% 600 O sea, en condiciones ideales apenas una parte de la energía interna del vapor se transforma en trabaja útil, el resto se pierde en el medio. Preguntas Proceso isobárico En este la presión del sistema permanece constante; por tanto el trabajo realizado es igual a la presión multiplicada por el cambio de volumen: W = P ( Vf – Vi ) Y entonces, ∆U = Q – P ( Vf – Vi ) Hemos observado que un líquido caliente se enfría hasta quedar a temperatura ambiente, es decir que el calor fluye del líquido al ambiente que lo rodea, sin embargo no se ha observado que el Calor fluya espontáneamente de los cuerpos fríos a los cuerpos calientes. Este resultado se manifiesta en la segunda ley de la termodinámica, la cual expresa que: El calor no fluye espontáneamente de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes. 1. Después que ha fluido energía calorífica en un sistema, ¿Dónde puede encontrarse esta energía, en la energía interna del sistema? Proporcione tantos ejemplos concretos como pueda de esta situación. 2. considere la maquina simple de calor mostrada en la figura. El líquido calentado en la porción derecha se expande y es levantado por el líquido mas frió de la izquierda. como resultado, el liquido circula dentro del tubo en el sentido contrario de las manecillas del reloj. Al hacerlo, hace que gire la rueda de paletas, que esta acoplada a un dispositivo externo del cual se extrae trabajo. Explique los factores que afectan el rendimiento de esta maquina. ¿Qué debería hacerse para que tuviera su máximo rendimiento? En 1849, el ingeniero francés Sadi Carnot publicó los resultados de estudios realizados sobre el modo de operar de una maquina de vapor y el limite teórico de su eficiencia. Carnot demostró que el limite de calor trans formable en trabajo depende de la diferencia de de temperatura entre el foco caliente y el foco frio. “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 10 "Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo." Blas Pascal 3. un gas efectúa el ciclo mostrado en la figura. a. Hállese el trabajo que realizo el gas en las partes AB, CD, DA del ciclo b. Cual es el trabajo total que efectuó el gas durante el ciclo. “El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir” _ Albert Einstein 11