GUIÓN DE TRABAJO GRUPO DE ESTUDIO FÍSICA II Bloque

GUIÓN DE TRABAJO
GRUPO DE ESTUDIO
FÍSICA II
Bloque temático II y III
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y
B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo
determinado (T), estos alcanzarán la misma temperatura (t). Si luego un tercer cuerpo, que
llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por
lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
La Termodinámica incluye dos conceptos que parecen iguales pero son muy diferentes.
Calor y Temperatura, como se muestra en las figuras 1 y 2. Así, la Termodinámica puede
definirse como la parte de la Física que se encarga de estudiar los procesos en los que se
transfiere energía como calor y como trabajo, es decir, la termodinámica se encarga de
estudiar el calor y su transformación en energía mecánica.
Figura 1 Interpretación del calor
El fundamento principal de la termodinámica es la conservación de la energía y el
principio de que el calor solamente fluye de un sistema caliente a un sistema frío y nunca se
va a presentar en sentido contrario.
Figura 2 Concepto de Temperatura
1
El calor es la energía que posee un cuerpo y que se puede transferir a un segundo
cuerpo el cual se encuentra a menor temperatura.
SENSACIÓN TÉRMICA.
PROBLEMÁTICA SITUADA
Por la mañana la familia Ramírez se dirigen a desayunar al restaurante del hotel, ya en
el interior, Sandra observa varias situaciones: algunas personas están tomando agua simple
sin hielo, otras personas están tomando agua o refresco con hielo, unas más toman café
caliente, unas personas visten short, otras, pantalón largo, mujeres con blusas muy delgadas,
hombres con calcetines, otros con huaraches.
El señor Ambrosio argumenta que gracias a los ventiladores y a los aires
acondicionados que están dentro del restaurante, la temperatura dentro del mismo es
agradable y que no se siente mucho calor, por lo cual solicita que le sirvan café caliente.
Sandra relaciona la vivencia que tiene en ese momento con sus clases de Física II y se
pregunta:
1. ¿Se encuentran a la misma temperatura dentro del restaurante todos los objetos (sillas
de madera, mesas de madera, cubiertos, etcétera)? ¿Por qué?
2. ¿Influirá el tipo de vestimenta que lleva cada una de las personas para sentir más o
menos calor? ¿Por qué?
3. ¿Qué relación tiene el calor que se siente en el cuerpo con la temperatura del medio
ambiente?
4. ¿Qué es lo correcto decir con relación a la sensación corporal, tengo bastante calor o
tengo alta la temperatura? ¿Por qué?
Leer:
Equilibrio térmico
FÍSICA GENERAL CON EXPERIMENTOS SENCILLOS
Antonio Máximo y Beatriz Alvarenga
ENERGÍA INTERNA
FÍSICA CONCEPTUAL
Paul G. Hewitt
2
Ver los videos de internet:
http://fisicoquimica.wikidot.com/4-ley-cero-de-la-termodinamica Ley Cero de la Termodinámica
http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_t%C3%A9rmico Equilibrio térmico
http://www.youtube.com/watch?v=oM9pvC2bAbg LEY CERO DE LA TERMODINAMICA
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/EquilibrioTer
mico/equilibrio_termico.htm EQUILIBRIO TÉRMICO
http://www.youtube.com/watch?v=P9osRaZXmgI Equilibrio térmico CBTIS 11
ACTIVIDAD 1: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
La Ley de Cero de la termodinámica considera las siguientes dos situaciones:
a) Si dos sistemas (cuerpos) se encuentran en contacto térmico por algún tiempo, y no se
observa cambio alguno en las temperaturas de dicho sistema, se dice que el equilibrio
térmico entre ellos se conserva todo el tiempo que están en contacto.
b) Cuando dos sistemas (cuerpos) están en equilibrio térmico y se encuentran en contacto
con un tercer sistema (cuerpo), estos dos están en equilibrio térmico con el tercero,
entonces, se dice que los tres sistemas están en equilibrio térmico entre sí.
La Ley Cero de la Termodinámica que se enuncia de la siguiente manera: Dos o más
sistemas (objetos o cuerpos) que están en contacto, se encuentran en equilibrio térmico
cuando el valor de sus temperaturas es la misma entre ellos. Existen varios tipos de sistemas:
Sistema cerrado, es aquel en el cual no entra ni sale masa alguna. Sistema abierto, donde sí
puede entrar o salir masa, como se representa en la figura 3
Figura 3 Diferentes tipos de sistemas
3
ACTIVIDAD 2:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define la ley cero de la termodinámica?
2. ¿Cómo se define el calor?
3. ¿Cómo se define la temperatura?
4. ¿Cuál es la forma de medir el calor y la temperatura?
5. ¿Cómo se define el equilibrio térmico?
6. ¿Cómo se logra el equilibrio térmico entre dos o más sistemas?
2 La termografía
PROBLEMÁTICA SITUADA
La familia Ramírez, para distraerse, una tarde deciden dar un paseo en helicóptero
para conocer toda la bahía y sus alrededores. Sin embargo, antes de permitirles el acceso al
helicóptero a todos los integrantes de la familia les realizaron unos estudios para comprobar
que no fueran a tener algún problema cuando estuvieran en el aire. El primero en realizarse
los estudios fue el Papá. El enfermero le comenta que le va a tomar la temperatura, para lo
cual hace pasar un instrumento por todo su cuerpo. Sandra, inmediatamente relaciona el
instrumento y la toma de la temperatura con una termografía y se hace las siguientes
preguntas:
1. ¿Qué es un termógrafo y cuantos tipos hay?
2. ¿Cómo se define la termografía?
3. ¿Qué apoyo le brinda la termografía a la medicina?
4. ¿Qué relación tiene la termografía con la ley cero de la termodinámica?
5. ¿Cuáles son los tipos de enfermedades a los cuales apoya la termografía?
4
Leer las páginas de internet:
http://es.wikipedia.org/wiki/Termograf%C3%ADa Termografía
http://www.reumatologohernandezcollados.com/Articulos/Termografia.html Termografía clínica
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=xZPLa3s3jLc Instalan cámara termográfica en aeropuerto
http://www.youtube.com/watch?v=3yv0BNFoBp0 Cámara Infrarroja AH1N1
ACTIVIDAD 3: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
El termógrafo no solamente registra la temperatura, sino que también otros signos que
son de vital importancia, es una forma de detectar temperaturas elevadas en personas,
animales o cualquier otro objeto, mediante la comparación de la temperatura que éste tiene,
comparadas con una temperatura patrón y el medio ambiente en el cual se están
desenvolviendo. Cuando se hace pasar el termógrafo por el cuerpo de una persona se
establece un equilibrio térmico entre ambos. Esta es la aplicación que tiene el termógrafo con
la ley cero de la termodinámica. En Reumatología la termografía aporta información valiosa
tanto para el diagnostico como el seguimiento de las distintas enfermedades reumáticas,
según se muestra en la figura 4 Así es útil en la detección de articulaciones inflamadas, en
fases muy iniciales y cuando la exploración clínica puede no aportar información.
Figura 4 Inflamación del dedo medio en paciente con artritis psoriasica.
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ACTIVIDAD 4:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define un termógrafo?
2. ¿Cómo se define la termografía?
3. ¿Qué apoyo le brinda la termografía a la medicina?
4. ¿Qué relación tiene la termografía con la ley cero de la termodinámica?
5. Menciona cinco actividades de tu vida cotidiana donde tenga aplicación la termografía
3 TEMPERATURA Y ESCALAS TERMOMÉTRICAS.
El concepto de temperatura te es muy familiar ya que lo interpretas como una
sensación de “caliente” o “frio”. Sin embargo, es necesario que tengas una definición más
precisa. La unidad en el sistema internacional de la temperatura es el Kelvin (K), pero también
tendrás que familiarizarte y trabajar con otras tres diferentes escalas de temperaturas
llamadas: Celsius o Centígrada (°C), Fahrenheit (°F) y Ranking (°R).
PROBLEMÁTICA SITUADA
Los integrantes de la familia Ramírez caminaban por el malecón y sintieron demasiado
calor y decidieron comprar helados para refrescarse. Sin embargo, el hermano menor de
Sandra pidió se le comprara un hot dog, pues bien, Sandra se colocó su paleta de hielo en la
mano, sin embargo por lo fría que estaba no logro sostenerla por mucho tiempo y tuvo que
retirársela. También le solicitó a su hermano que le dejara tocar la salchicha que le habían
servido en el pan y sucedió exactamente lo mismo, por la temperatura elevada que ésta tenía
no fue posible el sostenerla por mucho tiempo en la mano. Sandra se preguntó:
1. ¿Cuál es la definición de temperatura?
2. ¿Cómo se define el calor?
3. ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?
4. ¿de que manera se puede medir la temperatura de los objetos con el sentido del tacto?
5. ¿Cómo se da el equilibrio térmico entre dos o más sustancias?
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6. Cuando la familia Ramírez regreso por la noche al hotel, el papá de Sandra, el señor
Ambrosio prendió la televisión y se dedicaron a ver un partido de futbol americano, el
narrador expreso que dentro del estadio se tenia una temperatura de 83°F. Sandra se
cuestiono: ¿A cuanto equivale dicha temperatura en grados Celsius, Kelvin y Rankin?
Leer :
Termómetros.
Escala Celsius.
Escala Kelvin.
FÍSICA GENERAL CON EXPERIMENTOS SENCILLOS
Antonio Máximo y Beatriz Alvarenga
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=48&l=s Temperatura
http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/Met11.htm Calor y temperatura – Escalas Como se mide
Ver los videos de internet:
https://www.youtube.com/watch?v=mvjr4Djc3Mo
temperatura?
CIENCIAS:
¿Es
lo
mismo
calor
que
http://www.youtube.com/watch?v=46tWYU0iox4&NR=1 FARENHEIT Y CELSIUS
https://www.youtube.com/watch?v=h0mrnECZYew ESCALAS DE TEMPERATURA
ACTIVIDAD 5: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Todos los objetos en el estado en que se encuentren poseen energía cinética y energía
potencial. Cuando la energía cinética y la energía potencial que poseen las moléculas de un
objeto se suman, a este concepto se le denomina energía térmica.
Al total de la energía cinética (debida a los movimientos de los átomos y las moléculas)
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y la energía potencial (debida a la posición que guarda sobre la superficie de la tierra) que
posee un objeto se le denomina energía interna.
La temperatura que posee un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho
de que un cuerpo este más caliente o más frío. En otras palabras, se dice que la temperatura
es la forma de medir la energía interna (el calor) que posee un cuerpo.
La energía interna que posee un cuerpo y que se puede transmitir a los cuerpos de
energía interna más baja (fríos) se denomina Calor.
Siempre que emplees un termómetro para medir la temperatura, éste necesariamente
debe tener una graduación de acuerdo a una escala termométrica. Para medir la temperatura
existen diferentes escalas (Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankin), sin embargo, la que se ha
adoptado casi por todos los países del mundo es la escala Celsius, antes conocida como
centígrada.
Para convertir de grados Celsius (°C) a grados Kelvin (K)
K = °C + 273
Para convertir de grados Kelvin (K) a grados Celsius (°C)
°C = K – 273
Para convertir de grados Fahrenheit (°F) a grados Celsius (°C)
°F – 32
°C = --------------1.8
Para convertir de grados Celsius (°C) a grados Fahrenheit (°F)
°F = (1.8)(°C) + 32
Para convertir de grados Fahrenheit (°F) a grados Rankin (°R)
°R = °F + 460
Para convertir de grados Rankin (°R) a grados Fahrenheit (°F)
°F = °R – 460
Ejemplo: Como recordaras, el hermano menor de Sandra pidió se le comprara un hot
dog, ella al tocar con la mano la salchicha, por la temperatura elevada que ésta tenía no fue
posible el sostenerla por mucho tiempo y tuvo que retirársela de la mano, ella en base a los
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conocimientos que tiene de Física calculo que aproximadamente la temperatura de la
salchicha era de 63°C y se pregunto ¿A cuantos grados Fahrenheit, Kelvin y Rankin equivale
dicha temperatura?
Datos
T°C = 63°C
Incógnitas
a) T°F = ?
b) TK = ?
c) T°R = ?
a) Fórmula
T°F = (1.8)(°C) + 32
Sustitución
T°F = (1.8)(°C) + 32
T°F = (1.8)(63) + 32
T°F = 113.4 + 32
Resultado
T°F = 145.4°F
Conclusión: El valor anterior T°F = 145.4°F indica que es la temperatura de la salchicha en
grados Fahrenheit.
b) Fórmula
TK = °C + 273
Sustitución
TK = °C + 273
TK = 63 + 273
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Resultado
TK = 336 K
Conclusión: El valor anterior TK = 336 K indica que es la temperatura de la salchicha en
grados Kelvin.
c) Fórmula
T°R = °F + 460
Sustitución
T°R = °F + 460
T°R = 145.4 + 460
Resultado
T°R = 605.4°R
Conclusión: El valor anterior T°R = 605.4°R indica que es la temperatura de la
salchicha en grados Rankin.
ACTIVIDAD 6:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se definen las escalas termométricas?
2. ¿Cuántas y cuales son las diferentes escalas termométricas?
3. ¿Cuál es la definición de temperatura?
4. ¿Cómo se define el calor?
5. ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?
6. Problema: Si la temperatura ambiente en Cabo San Lucas es de 40ºC ¿a cuanto
equivale esta temperatura en grados Fahrenheit, Rankin y Kelvin?
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7. Problema: Cuando la familia Ramírez regreso por la noche al hotel, el papá de Sandra,
el señor Ambrosio prendió la televisión y se dedicaron a ver un partido de fut bol
americano, el narrador expreso que dentro del estadio se tenia una temperatura de
83°F. Sandra se cuestiono: ¿A cuanto equivale dicha temperatura en grados Celsius,
Kelvin y Rankin?
8. Problema: transformar 570°R en grados Fahrenheit, Kelvin y Celsius
PROCESO DE TEMPLADO
PROBLEMÁTICA SITUADA
Estando en el hotel, la familia Ramírez, la habitación que les asignaron se encuentra en
el piso 25, desde la cual se observa perfectamente toda la magnitud de la bahía de Cabo San
Lucas, pues bien, en cierta ocasión, por la noche se encontraban todos en la terraza de la
habitación y el viento soplaba bastante fuerte. Samuel, el hermano menor de Sandra le
pregunta a su Papá que si no existe el riesgo de que los vidrios se rompan, a lo que su Papá
le responde que es muy difícil que eso suceda puesto que están diseñados para soportar
vientos y lluvias. Sin embargo, Sandra hace las siguientes preguntas:
1. ¿Cómo se define el templado?
2. ¿Cuáles son las características para que un material se temple?
3. ¿De que manera es posible que se templen los tres estados de agregación de la
materia?
4. ¿Qué relación tiene el templado con la ley cero de la termodinámica?
5. ¿Explica si es necesario que se de el equilibrio térmico cuando se templa un material?
Leer:
http://www.arqhys.com/construccion/temple.html Temple
http://sifunpro.tripod.com/termos.htm Temple Tratamiento Térmico Acero
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=AWE1LD9kyzg Templado Diferencial
http://www.youtube.com/watch?v=-to9Ig_76xs Horno de templado y curvado Tamglass
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ACTIVIDAD 7: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Sandra les comenta que en su clase de Física estudio un tema que es el templado, la
cual es una característica de los vidrios y los metales ferrosos, cuando se templan estos
materiales obtienen una dureza muy grande, pero también se vuelven quebradizos. Esta es la
característica que tienen los vidrios que se colocan a estas alturas tan altas, para que
soporten las inclemencias del tiempo.
Temple, en metalurgia e ingeniería, es un proceso de alta temperatura en el
tratamiento térmico del acero con el que se obtiene el equilibrio térmico deseado entre la
dureza y la tenacidad del producto terminado. Los artículos de acero endurecidos
calentándolos a unos 900 grados C. y enfriándolos rápidamente en aceite o en agua se
vuelven duros y quebradizos. El equilibrio térmico adecuado entre dureza y tenacidad se logra
controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento.
Golpe de calor
PROBLEMÁTICA SITUADA
En cierta ocasión, al filo del medio día, estando en la playa, bajo una palapa,
tomándose un refresco para mitigar el calor, la familia Ramírez observaba a unos paseantes
que estaban jugando futbol en la arena, bajo los intensos rayos del sol, todos estaban
sudorosos por el esfuerzo de estar jugando en la arena. De pronto, uno de los jugadores se
derrumbo en el piso, aparentemente le faltaba la respiración, llamaron a los paramédicos y
uno de ellos expresó, lo sucedido fue un golpe de calor. Sandra les cuestiono:
1. ¿Cómo se define un golpe de calor?
2. ¿Qué características presenta una persona que sufrió un golpe de calor?
3. ¿Qué consecuencias tiene para una persona exponerse a un golpe de calor?
4. ¿Cómo debe ser tratada una persona que ha sufrido un golpe de calor?
5. ¿El golpe de calor solamente es ocasionado por la exposición a altas temperaturas de
calor o existen otros factores?
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Leer:
https://www.youtube.com/watch?v=bPl120F0IN0 Golpe de calor
http://es.wikipedia.org/wiki/Hipertermia Hipertermia
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=g46H9IGJMO8&feature=fvst Golpe de Calor
http://www.youtube.com/watch?v=TUeyYREauNs Golpe de calor
ACTIVIDAD 8: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
El golpe de calor se caracteriza por un incremento de la temperatura corporal por
encima de 40ºC y alteraciones del sistema nervioso central y es típico el coma. Las dos
formas habituales en que se presenta el golpe de calor son:
Por esfuerzo, al hacer ejercicio en ambientes calurosos (afecta fundamentalmente a
individuos jóvenes sanos).
Exposición al calor en forma clásica, sin ninguna protección en el cuerpo que impida los
rayos solares (afecta a ancianos o individuos con enfermedades debilitantes).
Las manifestaciones que se presentan en los individuos que se han expuesto a una ola
de calor son delirio, convulsiones, alteraciones sutiles del comportamiento, coma, etcétera que
acompañan al aumento de la temperatura corporal y pueden ser la causa de provocar la
muerte si no se toman las medidas oportunas, según lo muestra la figura 3.5.
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Figura 3.5 Persona afectada por golpe de calor
Para entender lo que es un golpe de calor debes tener presente que éste se produce
por un desbalance entre los mecanismos productores y disipadores de calor, bien sea por un
incremento en la producción o una alteración en la pérdida de calor.
Definiciones relacionadas con el calor
OLA DE CALOR: Tres o más días consecutivos durante los cuales la temperatura
ambiental es mayor de 32.3°C.
ESTRÉS POR CALOR: Se presenta y se define como la exposición corporal que se
presenta en ambientes cálidos, especialmente durante el trabajo físico.
CALAMBRES POR CALOR: Forma más leve y temprana de lesión por calor. Se
presentan calambres musculares intermitentes de las extremidades tras el ejercicio con
elevación mínima de la temperatura corporal.
AGOTAMIENTO POR CALOR: Quizás el más frecuente de los síndromes por
hipertermia ambiental. Debilidad, fatiga, cefalea, confusión, cuadros vegetativos y anorexia en
jóvenes tras ejercicio o ancianos con reserva cardíaca limitada.
GOLPE DE CALOR: Temperatura corporal por encima de 40°C y alteraciones del
sistema nervioso central por exposición a ambientes calurosos (forma clásica) o tras ejercicio
físico extenuante (golpe de calor por ejercicio).
HIPERTERMIA: Incremento de la temperatura corporal por encima del valor
hipotalámico normal por alteración de los mecanismos disipadores del calor.
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ACTIVIDAD 9:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define un golpe de calor?
2. ¿Qué características presenta una persona que sufrió un golpe de calor?
3. ¿Qué consecuencias tiene para una persona exponerse a un golpe de calor?
4. ¿Cómo debe ser tratada una persona que ha sufrido un golpe de calor?
5. ¿El golpe de calor solamente es ocasionado por la exposición a altas temperaturas de
calor o existen otros factores?
El concepto de calor.
PROBLEMÁTICA SITUADA
Si recuerdas, estando en la playa, bajo una palapa, la familia Ramírez observó como a
una persona que estaba jugando fut bol en la arena se le presentó un problema de golpe de
calor. Pues bien, Sandra les dio esta explicación a sus familiares: El calor es una forma de
energía, la cual se manifiesta con un incremento en la temperatura del cuerpo donde penetra,
así, también es una forma de representar el trabajo que el calor representa, sin embargo,
nuestro cuerpo por sí solo no puede medir la temperatura que posee, simplemente tienes la
sensación de lo que es frío y caliente, ahora bien, no todos los cuerpos absorben de la misma
manera el calor, algunos absorben mayor cantidad que otros, es decir, se calientan más
rápido, de la misma manera, como el calor es energía, tienen la facilidad de transmitirla a
otros cuerpos que tengan menor cantidad de energía, o bien, que estén más fríos. Y les
pregunto a sus familiares:
1. ¿Cómo se define el calor?
2. ¿Cómo se define la temperatura?
3. ¿Qué relación tiene el calor y la temperatura con la ley cero de la termodinámica?
4. ¿Qué sucede en el interior de una sustancia cuando se le incrementa su temperatura?
5. En cierta ocasión Sandra escuchó al personal de mantenimiento del hotel que los
cables eléctricos se estaban sobrecalentando, Sandra preguntó a los empleados que si
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le podían dar unos datos respecto al calentamiento que estaba sufriendo el cable, los
empleados accedieron y estos son los datos que obtuvo: el material del cable es cobre,
su longitud es de 80 metros, la temperatura a la que deben de encontrarse debe ser de
30°C máximo y la temperatura a la cual los encontraron en ese momento era de 98°C.
¿Cuánto aumentó la longitud del cable con el calentamiento?
Leer:
Dilatación de los sólidos.
Dilatación de los líquidos.
El calor como energía
FÍSICA GENERAL CON EXPERIMENTOS SENCILLOS
Antonio Máximo y Beatriz Alvarenga
http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/tema3.htm Calor y Temperatura
https://www.fisicalab.com/apartado/dilatacion-termica#contenidos Dilatación térmica
Ver los videos de internet:
https://www.youtube.com/watch?v=mvjr4Djc3Mo
temperatura?
CIENCIAS:
¿Es
lo
mismo
calor
que
http://www.youtube.com/watch?v=GS88wB5P3zI Dilatación térmica de sólidos.
ACTIVIDAD 10: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Recuerda que la Termodinámica es la parte de la Física que se encarga del estudio de
la energía térmica, en otras palabras, estudia de la energía interna de cualquier tipo de
sistema. El concepto central de la termodinámica es la temperatura, un término que conoces a
la perfección y que sin embargo, lo relacionas con los conceptos de caliente y frío.
Dilatación: Las dimensiones de los cuerpos se incrementan cuando se eleva su
temperatura. Salvo algunas excepciones, todos los cuerpos independientemente de que sean
sólidos, líquidos o gaseosos se dilatan cuando se incrementa su temperatura. En la figura 3.6
se representa la dilatación de un material sólido cuando se incrementa su temperatura.
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Al tomar una barra de un material sólido a cierta temperatura y calentarla, se producirá
un aumento en todas sus dimensiones lineales, o sea, aumentará su longitud, su altura y su
ancho. A este incremento en sus dimensiones se le denomina dilatación térmica. Para el
caso de los líquidos y los gases es más complicado obtener su dilatación térmica, puesto que
es necesario considerar el recipiente que los contiene y en el caso de los gases se debe
considerar los cambios de presión a los que está expuesto.
Figura 3.6 Dilatación (aumento en sus dimensiones) de un material sólido
La magnitud de la dilatación o contracción de un objeto causado por un cambio en su
temperatura depende de los siguientes factores:
a) El material del que está construido el objeto.
b) La longitud del objeto. Mientras mayor sea la longitud “L”, mayor será el incremento de
su longitud “∆L”.
c) La magnitud del cambio de temperatura. Mientras mayor sea el cambio de temperatura
“∆T”, mayor será el cambio de su longitud “∆L”.
Matemáticamente, la expresión algebraica que representa la dilatación lineal en un
material sólido con relación al incremento en su temperatura es:
Lf = (Li)(1 + α∆T)
Para el caso de los materiales que tengan dos dimensiones, la dilatación superficial se
puede calcular con la expresión matemática:
Af = (Ai)(1 + β∆T)
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En esta fórmula β = (2)(α)
Para el caso de los materiales que involucren tres dimensiones, la dilatación
volumétrica la puedes calcular con expresión matemática:
Vf = (Vi)(1 + Ϫ∆T)
En esta fórmula Ϫ = (3)(α)
Recuerda que: ∆T = Tf – Ti
En las fórmulas anteriores, cada una de las literales representa lo siguiente:
Li = Longitud inicial de la barra sólida, unidades: metros (m)
Lf = Longitud final de la barra sólida, unidades: metros (m)
Ai = Área inicial de la superficie sólida, unidades: metros cuadrados (m2)
Af = Área final de la superficie sólida, unidades: metros cuadrados (m 2)
Vi = Volumen inicial del cuerpo sólido, unidades: metros cúbicos (m 3)
Vf = Volumen final del cuerpo sólido, unidades: metros cúbicos (m 3)
α = Coeficiente de dilatación lineal, unidades: 1/°C (ver Anexo 2A)
β = Coeficiente de dilatación superficial, unidades: 1/°C (ver Anexo 2A)
Ϫ = Coeficiente de dilatación volumétrica, unidades: 1/°C (ver Anexo 2A)
∆T = Incremento de temperatura, unidades: °C
Ti = Temperatura inicial del material, unidades: °C
Tf = Temperatura final del material, unidades: °C
Ejercicio: La familia Ramírez se encontraba desayunando en el restaurante del hotel.
Samuel, el hermano menor de Sandra, solicitó unos molletes preparados en el horno eléctrico.
Sandra al escuchar esto le solicitó al mesero que la dejara ver las temperaturas que se
generaban en el horno durante la cocción de los molletes y observó lo siguiente: La tapa del
horno eléctrico contenía un vidrio refractario con dimensiones de largo 30 cm, alto 25 cm y
espesor de 5 mm. La temperatura inicial del vidrio es de 21°C y la temperatura después de la
cocción de los molletes fue de 63°C. ¿Cuánto aumento el volumen del vidrio después de que
se calentaron la cocción de los molletes?
Datos
Ϫ = 9 x 10-6 1/°C (Ver anexo 2A)
Largo = 30 cm
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Alto = 25 cm
Espesor = 5 mm
Ti = 21°C
Tf = 63°C
Incógnita
Vf = ?
Fórmula
Vf = (Vi)(1 + Ϫ∆T)
Conversión de unidades: El largo y el ancho están dada en cm, sin embargo, para
sustituirlos en la fórmula es necesario que los transformes a m, esto es muy sencillo,
solamente tendrás que aplicar una regla de tres simple de la siguiente manera:
Para el caso del largo:
1 m -------------- 100 cm
x -------------- 30 cm
(1 m)(30 cm)
x = ---------------------100 cm
Observa que tienes como unidades cm en el numerador y cm en el denominador,
matemáticamente por regla de los exponentes del cociente estos se eliminan.
30 m
x = ----------100
x = 0.30 m
Para el caso del alto:
1 m -------------- 100 cm
x -------------- 25 cm
(1 m)(25 cm)
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x = ---------------------100 cm
Observa que tienes como unidades cm en el numerador y cm en el denominador,
matemáticamente por regla de los exponentes del cociente estos se eliminan.
25 m
x = ----------100
x = 0.25 m
Para el caso del espesor:
1 m -------------- 1000 mm
x -------------- 5 mm
(1 m)(5 mm)
x = -------------------1000 mm
Observa que tienes como unidades mm en el numerador y mm en el denominador,
matemáticamente por regla de los exponentes del cociente estos se eliminan.
5m
x = ----------1000
x = 0.005 m
Recuerda que el volumen de un cuerpo se obtiene multiplicando sus tres dimensiones:
Vi = (largo)(alto)(espesor)
Vi = (0.30)(0.25)(0.005)
Vi = 0.000375 m3
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Calculando ∆T
∆T = Tf – Ti
∆T = 63°C – 21°C
∆T = 42°C
Sustitución: Los valores obtenidos los sustituimos en la fórmula:
Vf = (Vi)(1 + Ϫ∆T)
Vf = (0.000375 m3)(1 + [9 x 10-6 1/°C][42°C])
Vf = (0.000375 m3)(1 + 0.000378)
Vf = (0.000375 m3)(1.000378)
Resultado
Vf = 0.000375141 m3
Conclusión: El valor anterior Vf = 0.000375141 m3 indica el volumen final del vidrio refractario
después de la cocción de los molletes.
ACTIVIDAD 11:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define el calor?
2. ¿Cómo se define la temperatura?
3. ¿Qué relación tiene el calor y la temperatura con la ley cero de la termodinámica?
4. ¿Como se define la dilatación de un material?
21
5. Problema: Un cable de acero tiene una longitud de 380 m cuando se encuentra a una
temperatura de 23°C, si se eleva su temperatura hasta 103°C ¿Cuál es la longitud final
del cable?
6. Problema: Se tiene una placa rectangular de plomo de 85 cm de ancho y 3.2 m de largo
a una temperatura de 17°C, si se incrementa su temperatura a 82°C ¿Cuál es el área
final de la placa?
7. Problema: La temperatura de un vidrio comercial es de 32°C, si su área es de 0.682 m2
y se eleva su temperatura hasta 78°C. ¿Cuál es su área final?
8. Problema: Se tiene un horno eléctrico con un vidrio refractario con dimensiones de
largo 30 cm, alto 25 cm y espesor de 5 mm. La temperatura inicial del vidrio es de 21°C
y la temperatura después de la cocción de los molletes fue de 63°C. ¿Cuánto aumento
el volumen del vidrio después de que se calentaron la cocción de los molletes?
9. Problema: En un recipiente se tienen 24 litros de petróleo a una temperatura de 19°C,
si se incrementa su temperatura hasta 57°C. ¿Cuál es el volumen final del petróleo
22
ANEXO “2A”
Tabla 1
Coeficientes de dilatación lineal, superficial y volumétrica
Material
Aluminio
Ladrillo
Latón
Cobre
Latón
Plata
Concreto
Vidrio comercial
Tungsteno
Hierro fundido
Porcelana
Cuarzo fundido
Acero
Oro
Plomo
Silicio
Diamante
Zinc
Agua
Alcohol etílico
Benceno
Bisulfuro de carbono
Glicerina
Mercurio
Petróleo
Coeficiente de
dilatación lineal (α)
(1/°C)
24 x 10–6
10 x 10–6
18 x 10–6
17 x 10–6
18 x 10–6
20 x 10–6
12 x 10–6
9 x 10–6
40 x 10–6
11 x 10–6
3 x 10–6
0.3 x 10–6
13 x 10–6
14 x 10–6
29 x 10–6
0.4 x 10–6
0.9 x 10–6
25 x 10–6
----------------------------------------------------------------
Coeficiente de
dilatación superficial
(β) (1/°C)
48 x 10–6
20 x 10–6
36 x 10–6
34 x 10–6
36 x 10–6
40 x 10–6
24 x 10–6
18 x 10–6
80 x 10–6
22 x 10–6
6 x 10–6
0.6 x 10–6
26 x 10–6
28 x 10–6
58 x 10–6
0.8 x 10–6
1.8 x 10–6
50 x 10–6
----------------------------------------------------------------
23
Coeficiente
de dilatación
volumétrica
(Ϫ) (1/°C)
72 x 10–6
30 x 10–6
54 x 10–6
51 x 10–6
54 x 10–6
60 x 10–6
36 x 10–6
27 x 10–6
120 x 10–6
33 x 10–6
9 x 10–6
1.8 x 10–6
39 x 10–6
42 x 10–6
87 x 10–6
1.2 x 10–6
2.7 x 10–6
75 x 10–6
2.1 x 10–4
0.75 x 10–3
1.24 x 10–3
1.3 x 10–3
0.5 x 10–3
0.18 x 10–3
0.9 x 10–3
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica.
Establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la
energía interna del sistema cambiará. En otras palabras, la primera ley de la termodinámica
establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Eentra – Esale = ΔEsistema
Trabajo como energía.
Hace muchos años, los científicos pensaban que el calor era un fluido invisible al cual
llamaban calórico, el cual tenía la característica de fluir de los objetos calientes a los objetos
fríos. El calórico se conservaba en sus interacciones, lo cual dio lugar al descubrimiento de la
primera ley de la termodinámica, que es la ley de la conservación de la energía.
Lo que si debes tomar en cuenta es que la primera Ley de la Termodinámica se aplica
a un sistema, el cual se puede ser el vapor de una máquina, o toda la corteza de la tierra o el
cuerpo de una criatura viva. La primera ley de la termodinámica es una ley general que no
solamente se ocupa del funcionamiento interno del sistema ya que la energía calorífica
suministrada tiene dos funciones: Aumenta la energía interna del sistema o habilita al sistema
a hacer trabajo externo.
El suministro de calor a un sistema de modo que pueda hacer trabajo mecánico es solo
una aplicación de la primera ley de la termodinámica. Si en lugar de suministrar calor al
sistema se hace trabajo sobre él, la primera ley indica lo que puede esperarse: Un aumento
en la energía interna. Un ejemplo muy sencillo es utilizando una bomba para inflar llantas de
bicicleta. Al bombear aire con el émbolo, la bomba se calienta, porque se está haciendo un
trabajo mecánico sobre el sistema, lo cual ocasiona que se incremente su energía interna,
como se muestra en la Figura 1
24
TRABAJO
MECÁNICO
Figura 1. Representación de la energía interna en una bomba de aire
PROCESOS ADIABÁTICOS
Un proceso donde no entra ni sale calor de un sistema se le da el nombre de proceso
adiabático, como el que se muestra en la Figura 2. Los procesos adiabáticos se realizan
aislando térmicamente un sistema del medio ambiente que lo rodea. Un ejemplo muy común
de un proceso adiabático es la compresión y expansión de los gases en los cilindros de un
motor de automóvil, ya que la compresión y expansión que ocurre en el interior de él se
presenta en centésimas de segundo.
Figura 2. Representación de un proceso adiabático.
PROBLEMÁTICA SITUADA
La familia Ramírez continúa de vacaciones en Cabo San Lucas. Ellos están
acostumbrados a vivir en una temperatura máxima de 25°C en el D. F., sin embargo, en su
destino de vacaciones se tiene una temperatura mínima de 30°C. En cierta ocasión, ya caída
la noche y antes de ir a descansar decidieron dar un paseo en carro por los alrededores, para
lo cual, Papá Ambrosio se dirige a un sitio de taxis y le comenta al chofer que si los puede
llevar a visitar los lugares de interés. El chofer accede amablemente pero le comenta que si se
pueden esperar 5 minutos mientras pone el carro a calentar, además que deberá pasar a la
gasolinera a cargar combustible y a revisar la presión de las llantas. Samuel le pregunta al
25
chofer que si su automóvil tiene mucha potencia, el chofer contesta que no, sin embargo no se
calienta cuando va cargado de pasajeros y que además tiene demasiada energía, lo cual le
permite que en las subidas no se detenga. Sandra relaciona la plática de su hermano con el
chofer y con sus clases se hace los siguientes cuestionamientos:
1. ¿Por qué el chofer calentó el motor del automóvil antes de abordarlo?
2. ¿En un automóvil es lo mismo potencia que energía?
3. ¿Si el automóvil durante el trayecto se calienta, donde se va el calor que desprende el
motor?
4. ¿Cuántos tipos de energía posee el automóvil cuando va a cierta velocidad?
Leer
TRABAJO
POTENCIA
ENERGÍA MECÁNICA
FÍSICA CONCEPTUAL
Paul G. Hewitt
http://fisica-pre.blogspot.com/2009/08/trabajo-mecanico.html TRABAJO MECÁNICO
http://apuntes.infonotas.com/pages/fisica/trabajo-y-energia/faq-trabajo-energia-6.php
Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=ZpezayZMfOw Termodinámica 01
http://www.youtube.com/watch?v=dmdxwS-5RLg primera ley de la termodinámica 2
http://www.youtube.com/watch?v=P8JnJGQdT7w Trabajo y Energía
ACTIVIDAD 12: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
26
MODELADO DEL PROBLEMA
Estando la familia Ramírez en la playa observaron que las olas del mar golpeaban una
piedra que se encontraba enterrada en la arena, todos en conjunto decidieron retirar la piedra
jugando a la constructora, Samuel el hermano menor de Sandra traía palas picos y carritos de
juguete. La actividad la realizaron durante dos horas pero la piedra enterrada en la arena no
lograron moverla ni un centímetro, después de ese tiempo todos exclamaron hemos trabajado
demasiado, merecemos un descanso y un refrigerio. Sandra les comentó, que de acuerdo a
sus conocimientos no habían realizado trabajo alguno, ya que en términos físicos el trabajo
se define como el producto de la fuerza por la distancia, y en este caso como la distancia que
recorrió la piedra fue cero entonces no se realizó trabajo alguno y, que simplemente habían
gastado energía.
Muchas veces suele llamarse trabajo a ciertas actividades que realizas en forma
cotidiana, pero que sin embargo, desde el punto de vista de la física, no pueden ser
clasificadas como tal. Para muchas personas, es natural que se utilicen ciertas palabras
propias de un lenguaje coloquial para señalar situaciones cotidianas, pero que en la física
tienen un significado distinto.
Por ejemplo, cuando un chofer de taxi dice que tiene mucho trabajo, lo que realmente
está expresando es que gana un buen dinero porque ha tenido bastante pasaje en un cierto
tiempo, pero desde el punto de vista de la física, el chofer del taxi no está realizando ningún
trabajo. Para que exista trabajo desde el punto de vista de la física, es necesario tomar en
cuenta dos factores: La fuerza que se aplica sobre el cuerpo que se considera, y la distancia
recorrida por efecto de la fuerza que se aplica. Sin embargo, también debe considerarse un
detalle, el desplazamiento que se produce debe tener la misma dirección de la fuerza
aplicada.
Por otra parte, es posible definir la energía, de una manera sencilla, como la capacidad
para realizar un trabajo. Existen muchas formas de energía, tal el caso de la energía cinética,
la energía potencial, la energía eléctrica, la energía mecánica, la energía química, la energía
solar, la energía nuclear, etcétera.
A continuación, vamos a tratar principalmente acerca de la energía cinética, la cual se
conceptualiza como la energía que acumulan los cuerpos debido a la velocidad que tienen en
un momento dado.
También se tratará la energía potencial, la cual se define como la energía que posee
un cuerpo debido a su posición con respecto a una referencia.
Trabajo, es cuando al aplicar una fuerza a un objeto éste tiene un desplazamiento. El
trabajo se puede definir cuando:
a) Exista una fuerza aplicada
b) La fuerza debe actuar a través de cierta distancia llamada desplazamiento.
27
c) La fuerza debe tener una componente a lo largo del desplazamiento.
La expresión matemática que representa al trabajo es:
W = (F)(d)
Pero:
F = (m)(a)
Si la fuerza (peso) es debida a la acción de la aceleración de la gravedad:
F = (m)(g)
Entonces:
W= (m)(g)(h)
En las expresiones anteriores:
W = trabajo realizado por el cuerpo, unidades: Joule (J)
F = Fuerza aplicada, unidades: Newton (N)
d = distancia recorrida, unidades: Metros (m)
h = Altura a la cual se encuentra el objeto, unidades: Metro (m)
m = Masa del objeto, unidades: kilogramo (Kg)
a = Aceleración que sufre el objeto al aplicarle la fuerza, unidades (m/s)
g = Aceleración de la gravedad
g = 9.81 m/s2
Energía
En Física existen solamente dos tipos de energía: Energía cinética (Ec) y energía
potencial (Ep), según se representa en la Figura 4.3
28
Figura 4.3 Representación del trabajo como energía.
La Energía Cinética es la capacidad de realizar y obtener un trabajo como resultado del
movimiento de un cuerpo. Algunos ejemplos pueden ser: un automóvil en marcha, una bala en
movimiento, un volante que gira, etcétera. Su expresión matemática es:
Ec = (½)(m)(V2)
En donde:
Ec = Energía cinética adquirida por el objeto, unidades: Joule (J)
m = masa del objeto, unidades: Kilogramo (Kg)
V = Velocidad del objeto, unidades: metro sobre segundo (m/s)
La Energía Potencial es la que posee un sistema en virtud de su posición. Para que
exista energía potencial es necesario que el cuerpo se eleve a una determinada altura de un
punto de referencia, algunos ejemplos son: un objeto que ha sido levantado, un resorte
comprimido, una liga estirada, etcétera. Matemáticamente se puede representar como:
Ep = (m)(g)(h)
En donde:
Ep = Energía potencial obtenida por el objeto, unidades: Joule (J)
m = Masa del objeto, unidades: kilogramo (Kg)
g = Aceleración de la gravedad
g = 9.81 m/s2
h = Altura a la cual se encuentra el objeto, unidades: Metro (m)
29
ACTIVIDAD 13:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define la primera ley de la Termodinámica?
2. ¿Como se define el trabajo en términos de la Termodinámica?
3. ¿Cuál es el modelo matemático del trabajo en términos de Termodinámica y sus
unidades en el sistema internacional?
4. ¿Cómo se define la energía en términos de la Termodinámica?
5. ¿Cuantos tipos de energía existen y como se define cada uno de ellos?
6. ¿Qué es un proceso adiabático?
7. ¿Cuántos tipos de sistemas termodinámicos que existen y define cada uno de ellos?
8. Problema: Estando en la alberca del hotel, Sandra observó que un individuo cuya masa
aproximada es de 43 Kg se encontraba en el trampolín de 10 metros para lanzarse un
clavado. Determina:
a) ¿Cuál es su energía potencial cuando se encuentra en esa posición? (4414 J)
b) ¿Cuánta energía cinética adquiere al momento de llegar al agua si se lanza a la
alberca a una velocidad promedio de 1.8 m/s? (69.66 J)
9. Una persona tiene una masa de 65 kg y al jugar fut bol en la arena adquiere una
energía cinética de 678 J. ¿Cuál es la velocidad que tiene la persona?(4.5 m/s)
10.Estando en un trampolín de 5 m una persona adquiere un energía potencial de 3762 J.
¿Cuál es la masa de la persona? (76.69 kg)
Cambios de temperatura.
PROBLEMÁTICA SITUADA
Los integrantes de la familia Ramírez decidieron asistir a la puesta del sol en el
malecón de Cabo San Lucas todos ellos observaban en el horizonte el mar, Ambrosio el Papá
de Sandra preguntó ¿Por qué existe en el mar el vapor, es posible que el agua del mar se
este evaporando? Sandra le comentó que el agua puede evaporarse a cualquier temperatura
30
no necesariamente tiene que estar hirviendo. Además, les hace el comentario que existen tres
estados en los cuales se puede encontrar la materia, a estos se le denominan estados de
agregación de la materia y se puede pasar de uno a otro bajo ciertas características.
Como la temperatura a la que se encontraban era de 32°C aproximadamente, llevaban
una hielera con hielos y refrescos en su interior, Sandra saca un hielo, se los muestra y
pregunta ¿Qué observan en el hielo que tengo en la mano? Josefina la mamá de Sandra
comenta yo observo que el hielo se está derritiendo, además, de tu mano está saliendo vapor
y también observo el mismo hielo que sacaste de la hielera. Sandra argumenta ¡bravo mamá!
identificaste los tres estados de agregación de la materia los cuales son: Sólido (hielo),
Líquido (hielo derretido o agua) y Gaseoso (vapor).
Leer:
ENERGÍA Y CAMBIOS DE ESTADO
FÍSICA CONCEPTUAL
Paul G. Hewitt
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/est
ados/cambios.htm Cambios de estado
http://www.salonhogar.net/quimica/nomenclatura_quimica/Cambios_de_fase.htm Cambios de
Fase y Energía Calorífica
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=kms7sXkU6BE&NR=1 Estados de agregación de la Materia
http://www.youtube.com/watch?v=Q9ZSa-kuDZA&feature=related Estados de la Materia Parte 1
ACTIVIDAD 14: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Seguramente haz observado que en la naturaleza las sustancias se presentan en tres
estados o fases, los cuales se conocen como estados de agregación de la materia, estos son:
sólido, líquido y gaseoso. Dichos estados de agregación dependen de la presión y la
31
temperatura a los que está sometida la sustancia. Por ejemplo, el hierro que se encuentra en
estado sólido podría cambiar al estado líquido si su temperatura se eleva lo suficiente para
efectuar el cambio. Otro caso que ya has comprobado directamente es el agua, la cual cambia
de su estado líquido a su estado sólido o gaseoso, según sea aumentada o disminuida su
temperatura de 0°C a 100°C en condiciones de presión estándar (1 atm). Cuando una
sustancia cambia de una fase a otra, decimos que experimenta un cambio de fase, cambio
de estado físico o cambio de agregación de la materia.
Cuando proporcionas calor a un cuerpo, estas incrementando su energía interna y por
consiguiente elevando su temperatura, este incremento en su energía interna provoca que la
fuerza que mantiene unidos a los átomos sufra alteraciones, modificándose en su
organización y separación. De igual forma, la eliminación de calor por parte de un cuerpo
deberá producir efectos inversos a los que observas cuando le suministras calor. En la figura
4.4 se muestran los diferentes cambios de agregación de la materia y los nombres que recibe
cada uno de ellos.
Figura 4.4 Cambios de estado de agregación de la materia.
ACTIVIDAD 15:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define el calor?
32
2. ¿Cómo se define la temperatura?
3. ¿Qué es un estado de agregación de la materia?
4. ¿Qué es un cambio de fase?
5. Cómo se define la fusión y menciona cinco ejemplos
6. Cómo se define la solidificación y menciona cinco ejemplos
7. Cómo se define la vaporización y menciona cinco ejemplos
8. Cómo se define la condensación y menciona cinco ejemplos
9. Cómo se define la sublimación y menciona cinco ejemplos
Calor.
PROBLEMÁTICA SITUADA
Los integrantes de la familia Ramírez están expuestos a una temperatura promedio de
31°C. Esta temperatura los obliga a cambiar las costumbres normales de su vida diaria, les
provoca mayor sudor en sus cuerpos, con mayor frecuencia se presenta la sensación de sed,
consumen mayor cantidad de agua, y productos fríos para tratar de compensar el calor que
sienten.
Estando en el restaurante Sandra siente que la temperatura es agradable y que es la
misma en todo el lugar, sin embargo, no todos llevan una vestimenta común, la mayoría de
ellos porta bermudas, shorts y camisetas o playeras, lo anterior le indica que aunque todos
están expuestos a la misma temperatura del lugar, no todos poseen la misma temperatura
corporal.
1. ¿Cómo puedes definir el calor en términos de energía?
2. ¿Cómo se relaciona el calor con la primera ley de la termodinámica?
3. ¿Al realizar una persona un ejercicio físico, adquiere mayor calor o mayor temperatura?
33
Leer:
CALOR
Cantidad de calor
Calor específico
FÍSICA CONCEPTUAL
Paul G. Hewitt
http://www.misrespuestas.com/que-es-el-calor.html ¿Qué es el calor?
http://www.textoscientificos.com/fisica/calor-especifico Calor específico
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=fvlrspT8NNg Biodiversidad, La Energia Calorifica.wmv
http://www.youtube.com/watch?v=ifDK4JWvm70 Transferencia de calor
ACTIVIDAD 16: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Estando en el restaurante desayunando Sandra escucha a una persona que debe
tomar sus líquidos templados, el mesero le sirve en un vaso agua a temperatura ambiente y
para templarla le vacía agua a una mayor temperatura hasta lograr en la mezcla la
temperatura que la persona necesita. Esto es: Si dos cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura uno de otro y se ponen en contacto, se produce una transmisión de calor del
cuerpo más caliente al cuerpo más frío, lo cual ocasiona una disminución en la temperatura
del cuerpo más caliente y un incremento en la temperatura del cuerpo más frío, sin embargo,
una vez que ambos alcanzaron la misma temperatura, el flujo del calor se interrumpe y a partir
de ese momento, ambos cuerpos tendrán la misma temperatura.
De este enunciado, se considera que cuando se incrementa la temperatura de un
cuerpo, la energía que posee en su interior, denominada energía interna, también se
incrementa. Si este cuerpo se pone en contacto con otro que tenga más baja temperatura,
habrá una transferencia de energía del cuerpo más caliente el cuerpo más frío, energía que se
denomina calor.
34
Calor: Es la energía interna que posee un cuerpo y que puede ser transmitida a otros
cuerpos de menor temperatura.
Ahora ya sabes que el calor es una energía en tránsito y como tal debes poderla medir,
también sabes que cuando se transfiere calor de un cuerpo a otro se produce un trabajo. Para
medir el calor en el sistema internacional se utiliza el Joule (J), sin embargo, también existe
otra unidad para medir el calor, la cual recibe el nombre de caloría (Cal).
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado centígrado
un gramo de agua.
Para transformar las calorías a Joule o viceversa se usa la expresión:
1 Cal = 4.1868 J
Transmisión del calor.
Anteriormente Sandra les había mencionado que el calor es la energía que posee un
cuerpo y que puede ser transmitida a otros cuerpos de menor temperatura, es decir, el calor
es una energía en tránsito. Como bien sabes, existen tres estados de agregación de la
materia: sólido, líquido y gaseoso, sin embargo no en los tres estados se transmite el calor de
la misma manera.
Transmisión del calor por conducción.
La mayor parte del calor que se transfiere a través de los cuerpos sólidos se lleva a
cabo por el proceso de conducción y tiene lugar cuando dicho material sólido se calienta en
un extremo, el calor fluye desde el extremo caliente o de mayor temperatura hasta el extremo
más frío o el de menor temperatura, según se muestra en la Figura 4.5. La conducción
continúa hasta que todo el cuerpo alcanza la misma temperatura.
35
Figura 4.5 Transmisión del calor por conducción.
Sin embargo, no todos los materiales sólidos tienen el mismo coeficiente de
conducción. Si consideramos una placa de área “A”, y espesor “L”, se deducen algunas
observaciones generales en relación con el proceso de conducción del calor:
a) La cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo es directamente
proporcional a la diferencia de temperaturas “∆T" entre las dos caras.
b) La cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo es directamente
proporcional al área “A” de la placa.
c) La cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo es inversamente
proporcional al espesor “L” de la placa.
Estos resultados pueden expresarse matemáticamente, pero es necesario introducir la
constante de conductividad térmica, que es una característica propia de cada material.
Q
H = ----------t
(k)(A)(t)(∆T)
Q = ------------------------------L
∆T = Tf - Ti
En las fórmulas anteriores, cada literal representa lo siguiente:
36
H
= Velocidad con la cual se transfiere el calor, unidades: Kcal/s
Q
= Calor que se transfiere, unidades: Kcal
t
= Tiempo en que se transmite el calor, unidades: segundos (s)
k
= Constante de conductividad térmica, unidades: Kcal/m.s.°C
A
= Área de la placa o barra, unidades: metros cuadrados (m 2)
∆T = Incremento de temperatura, unidades: grados Celsius (°C)
L
= Espesor de la placa o barra, unidades: metros (m)
Tf = Temperatura final al transferir el calor, unidades: grados Celsius (°C)
Ti
= Temperatura inicial antes de transferir el calor, unidades: (°C)
Ejercicio: Durante el desayuno, en el restaurante, Samuel, el hermano menor de Sandra,
solicitó al mesero que le sirvieran unos biskets pero que se los calentaran en el horno de leña
y no en el de microondas. Sandra al escuchar esto le solicitó al mesero que le permitiera ver
las temperaturas que se generaban en el horno durante el calentamiento de los biskets. Lo
que observó fue lo siguiente: La pared exterior del horno es de ladrillos y tiene un espesor de
5 cm. El interior del horno se encuentra a una temperatura de 250 °C y la temperatura exterior
a 45°C. Si el área del horno es de 0.30 m 2 y el tiempo de cocción es de ½ hora.
a) ¿Cuánto calor se pierde en dicho tiempo?
b) ¿Cuál es la velocidad a la cual se transfiere el calor?
Datos
k
A
t
Ti
Tf
L
= 1.7 x 10–4 Kcal/m.s.°C (ver anexo 4A)
= 0.30 m2
= ½ hr = 30 min
= 45°C
= 250°C
= 5 cm
Incógnitas
37
a) Q = ?
b) H = ?
a) Fórmula
(k)(A)(t)(∆T)
Q = -----------------L
Conversión de unidades
Transformación de minutos a segundos:
1 min -------------- 60 s
30 min ------------ t
(30 min)(60 s)
t = -------------------1 min
1800 s
t = ----------1
t = 1800 s
Transformación de centímetros (cm) a metros (m):
1 m -------------- 100 cm
L -------------- 5 cm
(5 cm)(1 m)
L = ------------------100 cm
38
5 cm
L = -----------100
L = 0.05 m
Calculando ∆T
∆T = Tf – Ti
∆T = 250°C – 45°C
∆T = 205°C
Sustitución: Los valores obtenidos los sustituimos en la fórmula:
(k)(A)(t)(∆T)
Q = -------------------L
(1.7 x 10–4 Kcal/m.s.°C)(0.30 m2)(1800 s)(205°C)
Q = --------------------------------------------------------------------0.05 m
18.819 Kcal
Q = --------------------0.05
Resultado
Q = 376.38 Kcal
Conclusión: El valor anterior indica que Q = 376.38 Kcal es la cantidad de calor que se
desperdicia al hornear los biskets, es decir, éste calor no se utiliza.
39
b) Fórmula
Q
H = ------t
Conversión de unidades
Transformando minutos (min) a segundos (s):
1 min -------------- 60 s
30 min ------------ t
(30 min)(60 s)
t = -------------------1 min
1800 s
t = ----------1
t = 1800 s
Sustitución
Los valores obtenidos los sustituimos en la fórmula:
Q
H = ---------t
376.38 KCal
H = --------------------1800 s
Resultado
H = 0.2091 Kcal/s
Conclusión: El valor anterior de H = 0.2091 Kcal/s indica la velocidad en segundos a la
cual se hornean los biskets.
40
Transmisión del calor por convección.
Si colocan un recipiente con agua sobre la flama de la estufa, el agua que está en la parte
del fondo del recipiente recibe calor por conducción, proporcionada por el mismo recipiente.
Al calentarse la capa de agua del fondo, aumenta su volumen, lo que provoca que
disminuya su densidad, provocando que se desplace a la parte superior del recipiente, para
ser reemplazada por agua fría y más densa, proveniente de la parte de arriba. Este proceso
continúa de esta manera, provocando una circulación continua de moléculas de agua caliente
hacia arriba y de moléculas de agua fría hacia abajo, a estos movimientos se les denomina
corrientes de convección. Este proceso de transferencia de calor por convección se presenta
tanto en los líquidos como en los gases, ver Figura 4.6
Figura 4.6. Corrientes de convección en los líquidos.
En tu vida diaria puedes encontrar casos en los cuales las corrientes de convección
juegan un papel importante., tal es el caso de la formación de los vientos, el cual se debe a la
variación de la densidad del aire, los cuales no son más que el resultado de las corrientes de
convección de la atmosfera.
41
La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente (de menor densidad)
ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor
densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a
una continua circulación (corrientes de convección) del calor hacia las regiones frías, como se
muestra en la Figura 4.6. En los líquidos y en los gases la convección es la forma más
eficiente de transferir calor.
Transmisión del calor por radiación.
Si colocas un cuerpo caliente en el interior de una campana de vidrio donde se hace el
vacío y colocas un termómetro en el exterior de la campana, éste indicará una elevación de
temperatura, mostrando que existe transmisión de calor a través del vacío que existe entre el
cuerpo caliente y el exterior de la campana. Es obvio que esta transmisión del calor no se
pudo haber dado por conducción ni por convección, pues estos procesos solo ocurren cuando
hay un medio material a través del cual se puede transferir el calor.
En este caso, la transmisión del calor se llevó a cabo mediante el proceso denominado
radiación térmica. El calor que nos llega del sol se debe a este mismo proceso, ya que entre
el sol y la tierra existe un vacío. La transmisión del calor por radiación se muestra en la Figura
4.7
Figura 4.7. Transmisión del calor por radiación
Evaporación.
La evaporación del agua se da a cualquier temperatura y no necesariamente sucede
cuando el agua está en ebullición (hirviendo). También deben considerar que la evaporación
del agua depende de la temperatura a la que está expuesta, esto es, a mayor temperatura, las
42
moléculas de agua tendrán mayor energía para evaporarse, la evaporación también depende
del área de exposición del líquido al aire. El proceso de evaporación del agua se muestra en
la figura 4.8
Ebullición.
La ebullición del agua se presenta cuando ésta comienza a hervir, permaneciendo
constante durante el proceso la temperatura, ver Figura 4.9
A mayor presión externa o atmosférica la temperatura para llegar al punto de ebullición
también aumenta.
A menor presión externa o atmosférica la temperatura para llegar al punto de ebullición
también disminuye.
Figura 4.8 Proceso de evaporación del agua
Sandra le dice a Samuel has estado dentro de la alberca y al salir del agua, sientes un
frío al contacto con el aire, pero si te vuelves a sumergir en el agua de la alberca, el frío deja
de sentirse. Cuando te has terminado de lavar las manos, lavado la cara o te has bañado, una
vez que dejas de suministrar agua, sientes un frío. Este frío que sientes en tu cuerpo es
provocado por la evaporación que tiene el agua en tu cuerpo, por lo anterior, se considera que
la evaporación es un proceso de enfriamiento.
43
Figura 4.9 Punto de ebullición del agua
Capacidad térmica y calor específico.
Si a un cuerpo “A” le suministras una cantidad de calor necesaria (100 cal) y con ello su
temperatura se incrementa en 30°C, ahora bien, si le suministras esa misma cantidad de calor
(100 cal) a otro cuerpo diferente “B” y observas que también se incrementa su temperatura,
pero solamente en 20°C y haces lo mismo con un cuerpo diferente “C” le suministras la misma
cantidad de calor que a los anteriores (100 cal), pero este solamente incrementa su
temperatura en 15°C. Al proporcionarle la misma cantidad de calor a cuerpos distintos, estos
presentan diferentes variaciones en sus temperaturas, como se muestra en la figura 4.10 Esta
característica que poseen los cuerpos se conoce como capacidad térmica.
Agua
Alcohol
44
Mercurio
∆tA = 30°C
100 cal = ∆QA
∆tB = 20°C
∆tC = 15°C
100 cal = ∆QB
100 cal = ∆QC
Figura 4.10 Capacidad térmica. Cuerpos diferentes experimentan distintas variaciones de
temperatura al recibir la misma cantidad de calor.
La expresión algebraica que representa la capacidad térmica de un cuerpo es:
∆Q
C = --------∆T
En la expresión anterior las unidades representan en el sistema internacional:
C = Capacidad térmica, unidades: caloría sobre grado Celsius. (Cal/°C)
∆Q = Cantidad de calor recibida, unidades: caloría (cal)
∆T = Variación de la temperatura, unidades grado Celsius (°C)
De manera general, el valor de la capacidad térmica varia de un cuerpo a otro,
independientemente de que estén hechos del mismo material, como se muestra en la Figura
4.11 Dos cuerpos pueden tener diferente capacidad térmica por el hecho de que sus masas
sean diferentes.
45
Mismo material
M1
(C1)
M3
(C3)
M2
(C2)
Figura 4.11 Cuerpos del mismo material pero de masas diferentes, poseen capacidades
térmicas distintas
Si consideras bloques hechos del mismo material con masas m1, m2 y m3, etcétera, de
masas m1, m2, m3, etcétera, sus capacidades térmicas C 1, C2, C3, etcétera serán diferentes,
como se muestra en la Figura 4.11, sin embargo, si divides la capacidad térmica de cada
bloque entre su masa, se obtiene el mismo resultado para todos los cuerpos, es decir:
C1
C2
C3
------- = ------- = ------- = … constante
m1
m2
m3
El cociente representado anteriormente de la capacidad térmica entre la masa de un
cuerpo se denomina calor especifico.
¿El calor se absorbe o se sede?
Un cuerpo pierde o gana calor, dependiendo de la interacción que tenga con otros
cuerpos más fríos o más calientes. La energía interna del cuerpo en general esta variando y,
46
como también la cantidad de energía interna de un cuerpo depende del número de moléculas
y del cambio de energía en cada una de ellas. En otras palabras, la energía interna de un
cuerpo depende de su masa y del cambio de temperatura, por lo cual se puede decir que:
a) El calor absorbido o desprendido de un cuerpo es proporcional a su variación de
temperatura (∆T)
b) El calor absorbido o desprendido de un cuerpo que produce un cambio de temperatura
en el mismo, es proporcional a su masa.
Los enunciados anteriores se pueden representar con la expresión algebraica:
∆Q = (m)(Ce)(∆T)
De la expresión anterior las unidades se muestran sus unidades en el sistema internacional:
∆Q
m
Ce
∆T
= Calor absorbido o cedido por un cuerpo, unidades en calorías (cal)
= masa del cuerpo, unidades en gramos (gr)
= Calor específico de cuerpo o sustancia, unidades en calorías sobre gramo por grado
centígrado (Cal/gr.°C)
= Incremento de temperatura del cuerpo, unidades en grado Celsius (°C)
El calor específico (Ce) también puede expresarse en unidades de J/Kg.°C, cuando se
de ésta situación debes tomar en cuenta que la masa (m) debe darse en Kg.
Ejercicio: Un día por la mañana, la familia Ramírez se encontraban desayunando en el
restaurante del hotel donde se hospedan. Samuel, el hermano menor de Sandra, solicitó unos
molletes preparados en el horno eléctrico. Sandra al escuchar esto le solicitó al mesero que la
dejara ver las temperaturas que se generaban en el horno eléctrico durante el calentamiento
de los molletes y observó lo siguiente:
Las paredes del horno son de hierro, la masa total que tiene el horno es de 5 kg y se calentó
desde una temperatura inicial (T i) de 28°C hasta una temperatura final (T f) de 70°C. ¿Cuánto
calor absorbe el horno eléctrico durante el calentamiento de los molletes?
Datos
Material hierro
47
Ce= 0.107 Cal/gr.°C (ver Anexo 4C, Tabla 3)
m = 5 kg
Ti = 28°C
Tf = 70°C
Incógnita
∆Q = ?
Fórmula
∆Q = (m)(Ce)(∆T)
Conversión de unidades
Transformando kilogramos (Kg) a gramos (gr):
1 Kg -------------- 1000 gr
5 Kg -------------- m
(5 Kg)(1000 gr)
m = -------------------1 Kg
5000 gr
m = ----------1
m = 5000 gr
Calculando ∆T
∆T = Tf – Ti
∆T = 70°C – 28°C
∆T = 42°C
Sustitución
48
Los valores obtenidos los sustituimos en la fórmula:
∆Q = (m)(Ce)(∆T)
∆Q = (5000gr)(0.107 Cal/gr.°C )(42°C )
Resultado
∆Q = 22470 Cal
Conclusión: El valor anterior indica que ∆Q = 22470 Cal es la cantidad de calor que
absorbe el horno eléctrico mientras se calientan los molletes, es decir, es el calor que no
se utiliza durante el calentamiento.
ACTIVIDAD 17:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿Cómo se define la caloría?
2. ¿Cuál es la relación para transformar calorías a Joules?
3. ¿Cómo se define la trasmisión del calor por conducción y da tres ejemplos?
4. ¿Cómo se define la trasmisión del calor por convección y da tres ejemplos?
5. ¿Cómo se define la trasmisión del calor por radiación y da tres ejemplos?
6. ¿Cómo se define la evaporación de los líquidos?
7. ¿Cómo se define la ebullición de los líquidos?
8. ¿Como se define la capacidad térmica de un material?
9. ¿Cómo se define el calor específico de un material?
10.Problema: En el restaurante en el que se encuentra la familia Ramírez se calientan los
alimentos en un horno de microondas. Si éste tiene las siguientes características: La
49
pared exterior del horno es de acero y tiene un espesor de 3 cm. Si la temperatura
exterior es de 31°C y el interior del horno alcanza una temperatura de 180°C. Si el área
del horno es de 0.20 m2 y el tiempo de cocción es de 3 minutos. Determinar:
a) ¿Cuánto calor se pierde en dicho tiempo?
b) ¿Cuál es la velocidad a la cual se transfiere el calor?
11.Un bloque de plata de 700 g se caliente desde 15°C hasta 87°C. ¿Qué cantidad de
calor absorbe el hierro?
12.Un objeto de aluminio se encuentra a 17°C y al calentarse hasta 82°C absorbe 382
calorías. ¿Cuál es la masa del objeto?
Energía interna.
PROBLEMÁTICA SITUADA
La familia Ramírez decidió que por la noche nadaran en la alberca del hotel mientras se
llegaba la hora de la cena sin embargo, todos al introducirse a la alberca expresaron que el
agua estaba fría. Sandra les explicó que en realidad el agua no está fría sino que nuestros
cuerpos poseen una temperatura mucho mayor a la que tiene el agua de la alberca situación
por la cual tenemos la sensación de que el agua esta fría. El calor fluye de los objetos que
poseen mayor temperatura a los objetos que poseen menor temperatura, es decir de los
objetos más calientes a los objetos más fríos. También les comentó que si tocan una estufa
cuya flama está encendida, la energía se transmite de la estufa a tu mano porque la estufa
está más caliente que tu mano. Sin embargo, si tocan un trozo de hielo, la energía en este
caso se transmite de su mano al trozo de hielo. La transferencia de energía de un objeto a
otro debido a una diferencia de temperaturas entre los objetos se denomina calor.
1. ¿Cómo se define la energía interna y cual es su modelo matemático?
2. ¿Tiene alguna relación la energía interna de un cuerpo con el equilibrio térmico?
3. ¿Qué relación tiene la energía interna con la primera ley de la termodinámica?
Leer:
13.3 Capacidad térmica y calor específico
13.6 Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica
FÍSICA GENERAL CON EXPERIMENTOS SENCILLOS
Antonio Máximo y Beatriz Alvarenga
50
https://prezi.com/uz6twnym2sck/capacidad-termica/ Capacidad térmica
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.php Física-Termodinámica
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=CXaO-u4XEW8 Termodinamica 09: Energia interna
http://www.youtube.com/watch?v=1C5gpigmiOA video energia interna.wmv
ACTIVIDAD 18: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
MODELADO DEL PROBLEMA
Es importante que tomen en cuenta que la materia no contiene calor, la materia
contiene energía cinética molecular. El calor fluye de un cuerpo a otro y es la energía la que
está siendo transferida, una vez que el calor ha sido transferido a un objeto o a una sustancia,
deja de ser calor y se vuelve energía interna.
La energía interna de un objeto es el total de las energías cinética (debida a los
movimientos de los átomos y las moléculas) y potencial (debida a la posición que guarda
sobre la superficie de la tierra) que posee dicho objeto.
El calor se puede definir como la energía interna que se transmite de los cuerpos de
energía interna más alta (calientes) a los cuerpos de energía interna más baja (fríos). A pesar
de estar muy relacionados el calor y la temperatura, son conceptos completamente diferentes.
La temperatura de una sustancia es la medida de la energía cinética media de sus
moléculas.
Sandra le comenta a Samuel considera que tienes dos recipientes con agua hirviendo,
uno de ellos tiene 20 litros y el otro 2 litros, la temperatura del agua de ambos recipientes es la
misma (100°C), pues ambos se encuentran en ebullición, sin embargo, el recipiente que
contiene 20 litros de agua tiene mayor energía calorífica que el recipiente con 2 litros de agua,
esta diferencia se presenta porque el agua del recipiente de 20 litros tiene mayor masa y si lo
colocas en un cuarto frío, transmitirá mucho más calor al cuarto que el recipiente con 2 litros
de agua.
51
Imagina que tienes dos cuerpos con distinta temperatura, ambos en contacto, pero
aislados de toda influencia del exterior. Puedes comprobar que el cuerpo más caliente se va
enfriando, mientras que el cuerpo más frío se va calentando, si después de un tiempo, tocas
ambos cuerpos, notarás que éstos tienen la misma temperatura, por lo cual, a partir de ese
momento la temperatura de los cuerpos no sufrirá alteración alguna, es decir, los dos cuerpos
se encuentran en equilibrio térmico. Por lo cual, se dice que dos o más cuerpos en contacto y
aislados del exterior se encuentran en equilibrio térmico cuando la temperatura de todos es
la misma.
Para determinar el incremento de energía interna de cualquier sustancia se debe tomar
en cuenta su cantidad de masa, el incremento de temperatura y su capacidad térmica
específica.
Si consideras que la sustancia fuera agua, la expresión matemática que representa el
incremento de energía interna es:
KJ
∆Ei = (4.2 ----------------)(m)(∆T)
Kg.°C
Pero recuerda que:
∆T = Tf – Ti
Sustituyendo
KJ
∆Ei = (4.2 ----------------)(m)( Tf – Ti )
Kg.°C
52
En la expresión anterior se tiene:
∆Ei = Incremento de energía interna del agua, unidades: Joule (J)
KJ
4.2 = Constante de capacidad térmica para el agua, unidades: -----------Kg.°C
m = Masa del agua, unidades: Kg
Para el agua debes de considerar: 1 litro H2O = 1 kgH2O
Tf =
temperatura final del agua, unidades: °C
Ti =
Temperatura inicial del agua, unidades: °C
Ejercicio: A la mañana siguiente la familia Ramírez, después de terminado el
desayuno en el restaurante, el mesero les pregunta que si desean tomar café, todos contestan
afirmativamente, el mesero les comenta que se los sirve después de que se haya calentado el
agua en la cafetera. Sandra al escuchar lo que el mesero dice le solicita que la deje ver el
proceso de calentamiento del agua, el mesero accede y Sandra observa lo siguiente: El
calentador es eléctrico y le agregan 3.5 litros de agua, la temperatura inicial del agua es de
18°C y logra un incremento en 7 minutos hasta 96°C. ¿Cuál es el incremento de energía
interna del agua?
Datos
V = 3.5 litros
Ti = 18°C
Tf = 96°C
Incógnita
∆Ei = ?
53
Fórmula
KJ
∆Ei = (4.2 -------------)(m)(Tf – Ti)
Kg.°C
Conversión de unidades
Para el caso exclusivo del agua se tiene la relación:
1 litro agua = 1 kg agua
Para el caso que te ocupa, tienes un volumen de 3.5 litros, por lo tanto, haciendo la
conversión de unidades considerando lo anterior:
m = 3.5 Kg
Calculando ∆T
∆T = Tf – Ti
∆T = 96°C – 18°C
∆T = 78°C
Sustitución
Los valores obtenidos los sustituimos en la fórmula:
KJ
∆Ei = (4.2 ---------)(m)(∆T)
Kg.°C
KJ
∆Ei = (4.2 ---------)(3.5 Kg)(78°C)
Kg.°C
54
KJ
∆Ei = (4.2 ------------)(273 Kg°.C)
Kg.°C
∆Ei = 1146.6 KJ
Recuerda que 1 KJ = 1000 J
El incremento de energía interna expresado en Joule es:
Resultado
∆Ei = 1146600 J
Conclusión: El valor anterior indica que ∆Ei = 1146600 J es la cantidad de energía
interna que absorbe el agua durante el proceso de calentamiento, es decir, es el calor que se
utiliza durante el calentamiento del agua.
ACTIVIDAD 19:
Contesta las siguientes preguntas considerando lo que aprendiste del
tema y responder con sus palabras.
1. ¿De qué manera se cambia la energía interna de un objeto?
2. ¿Cómo se define el calor?
3. ¿Cómo se define la temperatura?
4. ¿Cómo se define el equilibrio térmico?
5. Problema: Una vez que concluyeron su desayuno en el restaurante, la familia Ramírez,
decidieron caminar por la bahía, meterse al mar y divertirse en las albercas del hotel,
ya caída la noche, estaban sentados en el parque central y se les antojo tomar un café
de la máquina. Sandra decide ir por los cafés para observar las características que
tiene la máquina y observa lo siguiente: La maquina es eléctrica, tiene un depósito de
20 litros de agua, la temperatura inicial del agua es de 24°C y la máxima temperatura
de calentamiento es de 83°C lo cual logra en 14 minutos. ¿Cuál es el incremento de
energía interna del agua?
55
6. Problema: Se colocan en un microondas 325 mililitros de agua y en 2.5 minutos su
energía interna se incrementa a 436 KJ. Determinar:
a) ¿Cuál es la masa del agua?
b) ¿Cuál es el trabajo desarrollado por el agua
7. Problema: La temperatura de 1.2 litros de agua e de 19°C y en 3 minutos adquiere 360
KJ. Determinar:
a) ¿Cuál es la temperatura final del agua?
b) ¿Cuál es el trabajo realizado por el agua?
MAQUINA DE VAPOR
Leer:
http://cuauhtemoc.org.mx/data/files/UNAM/Termodinamica/M%C3%A1quina%20de%20Vapor.pdf
Máquina de Vapor
http://sosiales.blogspot.mx/2010/11/evolucion-de-la-maquina-de-vapor-y.html Evolución de la
máquina de vapor y aplicaciones
Ver los videos de internet:
http://www.youtube.com/watch?v=3wh47msQpGM LaEternaBusqueda
http://www.youtube.com/watch?v=hW0eFxSC6Zg La máquina de vapor. AELOPIA
ACTIVIDAD 20: En forma individual, elaborar un resumen a partir
de la lectura del libro, las páginas de internet y los videos observados
y por equipo entregara un solo resumen.
56
ANEXO 4A
Tabla 2. Conductividad térmica de algunos materiales
MATERIAL
Valor de k
(Kcal/m.s.°C)
Aluminio
5.0 x 10–2
Latón
2.6 x 10–2
Cobre
9.2 x 10–2
Plata
9.9 x 10–2
Acero
1.1 x 10–2
Asbesto
1.4 x 10–4
Ladrillo
1.7 x 10–4
Concreto
4.1 x 10–4
Corcho
1.0 x 10–5
Vidrio
2.5 x 10–4
Aire
5.3 x 10–6
Agua
1.4 x 10–4
57
ANEXO 4B
Tabla 3. Calor específico (Ce) de algunas sustancias a 25°C de temperatura
de temperatura y presión atmosférica
SUBSTANCIA
Sólidos elementales
Aluminio
Berilio
Cadmio
Cobre
Germanio
Oro
Hierro
Plomo
Silicio
Plata
Otros Sólidos
Latón
Vidrio
Helio (– 5°C)
Mármol
Madera
Líquidos
Alcohol (etílico)
Mercurio
Agua (15°C)
Gas
Vapor (100°C)
J/Kg.°C
Cal/gr.°C
900
1830
230
387
322
129
448
128
703
234
0.215
0.436
0.055
0.0924
0.077
0.0308
0.107
0.0305
0.168
0.056
380
837
2090
860
1700
0.092
0.200
0.50
0.21
0.41
2400
140
4186
0.58
0.033
1.0
2010
0.48
ACTIVIDAD 21: En forma individual, elaborar un resumen de la
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
58