Física para Ciencias: Termodinámica
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Física para Ciencias: Termodinámica Dictado por: Profesor Aldo Valcarce 1er semestre 2014 FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Potencia La potencia se define como la rapidez de transferencia de energía o el trabajo realizado por segundo. ∆𝑸 𝑷= ∆𝒕 Las unidades de potencia son J/s o Watts (W) En mecánica: Entonces, 𝑾 = 𝑭∆𝒙 ∆𝒙 𝑷=𝑭 = 𝑭𝒗 ∆𝒕 FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 La transferencia de calor La energía térmica se puede transferir de un lugar a otro por tres maneras distintas: Conducción – Convección - Radiación La transferencia de calor existe sólo cuando hay una diferencia de temperaturas. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Conducción FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Conducción Si se inserta un extremo de una varilla de cobre en una fogata, la temperatura del otro extremo aumenta rápidamente por el proceso de conducción. La conducción se debe a la transferencia de energía cinética entre las moléculas o átomos de la sustancia. 𝑯 denota la rapidez con la que el calor se transfiere de un lugar a otro. Experimentalmente se encuentra que: 𝑯 ∝ ∆𝑻 la diferencia de temperatura 𝑯∝𝑨 el área del conductor 𝑯 ∝ 𝟏/𝑳 el largo del conductor. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Conducción ∆𝑸 𝑻𝟐 − 𝑻𝟏 𝑯= = 𝒌𝑨 ∆𝒕 𝑳 𝒌 es una constante conocida como la conductividad térmica del material y tiene unidades de 𝐽 𝑠 −1 𝑚−1 °𝐶 −1 . En general, los metales son buenos conductores (tienen 𝒌 alta), mientras que los no-metales y los gases son malos conductores (tienen 𝒌 baja). Cobre: 397 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 Concreto: 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 FIS109C – 2: Física para Ciencias Aire: 0,0234 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 Asbesto: 0,25 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 1 er semestre 2014 Ejercicio: Conducción Calcule la cantidad de calor que se transfiere en una hora a través de un muro de concreto de 2 𝑚 de altura, 3,65 𝑚 de longitud, y 0,2 𝑚 de espesor si un lado del muro se mantiene a 20 𝑜𝐶 y el otro 𝑎 5 𝑜𝐶 (k = 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶). FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Convección FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Convección Calentando las manos sobre una fogata: El aire que está directamente encima de las llamas se calienta y expande. En consecuencia baja su densidad y el aire sube. Esta masa de aire calienta las manos. El calor transferido por el movimiento de las moléculas o átomos de la sustancias de un lugar a otro se transmite por convección. Cuando el proceso ocurre por diferencias de densidad, se llama convección natural. Cuando una bomba o ventilador obliga a la sustancia caliente a moverse, convección forzada. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Radiación FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Radiación ¿Cómo llega a la Tierra el calor generado por el sol? Entre la tierra y el sol hay espacio vacío - no tiene átomos o moléculas para transmitir el calor por conducción ni convección. Todos los objetos irradian energía en forma de ondas electromagnéticas. La radiación asociada con la pérdida de energía térmica de un objeto se llama radiación infrarroja. El calor del sol llega a la tierra en forma de radiación. ~1340 J de energía llegan por segundo a cada m2 de la parte superior de la atmósfera. Parte de ésta es reflejada, la otra parte es absorbida por la atmósfera. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Radiación Ley de Stefan 𝑷 = 𝝈𝑨𝒆𝑻 𝟒 𝐴: área 𝜎 = 5.67 x 10-8 W/m2 K4 𝑒: emisividad o absorbencia 𝟎≤𝒆≤𝟏 𝑒 = 1 absorbedor ideal 𝑒 = 0 reflector ideal 𝟒 𝑷𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝝈𝑨𝒆(𝑻 − FIS109C – 2: Física para Ciencias 𝟒 𝑻𝟎 ) Todo cuerpo absorbe y emite 1 er semestre 2014 Ejercicio: Radiación Una persona demora 10 min en decidir que ropa ponerse en la mañana mientras se encuentra totalmente desnuda. Si la temperatura de la persona es de 35 °C ¿qué energía neta pierde su cuerpo por radiación? Suponer que la emisividad de la piel es de 0.900 y que el área de la superficie de la persona es de 1.5 m2. FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014 Resumen Potencia ∆𝑸 𝑷= ∆𝒕 Transferencia de Calor Conducción 𝑻𝟐 − 𝑻𝟏 𝑯 = 𝒌𝑨 𝑳 Convección Radiación FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014
