Tema 4: Calor y Primera Ley de la
Termodinámica
Física 20
Ingeniería Eléctrica
Contenido
1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
Contenido
1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
1. Conceptos Generales
Un poco de historia…
Teoría del Calórico
(A mediados del siglo XVIII y primeras décadas del siglo XIX)Lavoisier (químico francés) consideraba al calor como un fluido material que estaba en el interior de los cuerpos y lo llamó Calórico.
El calor es un efecto producido por un fluido capaz de penetrar todo el espacio y de fluir hacia y desde todas las sustancias.
El cambio de temperatura que sobreviene al poner en contacto dos cuerpos a diferente temperatura era interpretado como una transferencia de calórico.
Era un fluido incohercible (no se pueden mantener encerrado en un recipiente).
Se comporta como un fluido elástico. Sus partes se repelen entre sí pero son atraídas por las partículas que componen los cuerpos.
http://www.loreto.unican.es/Termodin/TermoIITeorCalorico.pdf
1. Conceptos Generales
Un poco de historia…
Teoría del Calórico
Químico inglés Humphry Davy (1800) demuestra la inexistencia del calórico.
Tomó dos pedazos de hielo y los frotó el uno contra el otro en el vacío, hasta que llegaron a fundirse. El resultado de este experimento era inexplicable desde el punto de vista de la teoría del calórico. ¿De dónde sacaban los dos pedazos de hielo el calórico necesario para llegar a fundirse? Pesó cuidadosamente agua, antes y después de congelarla, y encontró que el peso no cambiaba, aunque se había extraído calor en el proceso.
1. Conceptos Generales
Calor
≠
Energía Interna
Calor
Energía en Transito
Energía que fluye entre un sistema y su entorno en virtud de una diferencia de temperatura entre ellos. Energía cinética
total de todos los
átomos o
moléculas de una sustancia
Toda la energía de un sistema que se asocia con sus componentes
microscópicos.
• E. cinética del movimiento aleatorio traslacional, rotatorio y vibratorio.
• E. potencial vibratoria.
• E. potencial eléctrica.
1. Conceptos Generales
Cantidad de Calor (Q)
El calor fluye hacia afuera del sistema.
Q es -
El sistema y el entorno están en equilibrio
térmico.
Q es 0
El calor fluye hacia dentro del sistema.
1. Conceptos Generales
Cantidad de Calor (Q)
“Calórico”
Caloría (cal):
necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua
cantidad de transferencia de energía
en 1°C a una presión de 1 atm.
Unidades
Ya que el calor es una forma de energía, su unidad es el joule (J) en el SI. Antes de que se reconociera que el calor es una forma de energía, se le asignaba otras unidades:
1. Conceptos Generales
Capacidad Calorífica (C):
La capacidad calorífica de un cuerpo es la razón entre la cantidad de calor Q suministrada al cuerpo durante cualquier proceso y su cambio de temperatura ΔT correspondiente.
La palabra “capacidad” puede crear confusión porque sugiere la aseveración de la “cantidad de calor que puede contener un cuerpo”, mientras que lo que se quiere decir es simplemente la energía por cada grado de cambio de temperatura que se transfiere como calor cuando la temperatura del cuerpo cambia.
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energía
1. Conceptos Generales
Calor Específico:
Cuando el calor está asociado a un cambio de temperatura infinitesimal dT, lo llamamos dQ. La cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m de cierto material de T1 a T2 es proporcional al cambio de temperatura ΔT = T2 - T1 y a la masa m del material.
Calor requerido para cambiar la temperatura de la masa m
donde c es una cantidad, diferente para cada material, llamada calor específico del material. Para un cambio infinitesimal de temperatura dT y la cantidad de calor correspondiente dQ:
Cantidad de calor que necesita 1 gr de una sustancia para que su
Circuitos sobrecalentados:
Se está diseñando un elemento de circuito electrónico hecho con
23 mg de silicio. La corriente que pasa por él agrega energía a
razón de 7,4 mW = 7,4 x 10
-3J/s. Si el diseño no contempla la
eliminación de calor del elemento, ¿con qué rapidez aumentará su
temperatura?
La temperatura depende del estado físico de un material y es una descripción cuantitativa de su calidez o frialdad.
El término “calor” siempre se refiere a transferencia de energía de un cuerpo o sistema a otro, a causa de una diferencia de temperatura, nunca a la cantidad de energía contenida en un sistema dado.
Podemos modificar la temperatura de un cuerpo agregándole o quitándole calor, o agregándole o quitándole energía de otras formas, como trabajo mecánico.
Si cortamos un cuerpo a la mitad, cada mitad tiene la misma temperatura que el todo; no obstante, para elevar la temperatura de una mitad un intervalo dado, le agregamos la mitad del calor que agregaríamos al todo.
Contenido
1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
Es posible lograr el mismo cambio de
temperatura poniendo el agua en
contacto con un cuerpo más caliente, por
lo tanto, esta interacción también debe
implicar un intercambio de energía.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
Joule encontró que la pérdida de energía
mecánica es proporcional al producto de
la masa de agua y el aumento en la
temperatura del agua.
La constante de proporcionalidad era de aproximadamente 4,18 J/g .°C
Contenido
1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por conducción:
El resultado de interacciones entre partículas (moléculas, átomos, electrones libres).
Consecuencia directa de la naturaleza de la temperatura a nivel microscópico como energía cinética de cada molécula.
Metales
No Metales
Conductores
Térmicos
Aislantes
Térmicos
Materia
Los gases son malos conductores térmicos .
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por conducción:
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por conducción:
Se presenta solo si hay una diferencia en temperatura entre dos partes del medio de conducción.
Tasa de flujo de calor con el tiempo
k es el coeficiente de conductividad térmica del material .
k caracteriza la capacidad de un material para conducir calor. Cuanto mayor es k, más rápidamente conducirá calor. Los buenos aislantes térmicos tienen valores bajos de k
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por conducción:
Entonces la cantidad de calor que atraviesa por unidad de tiempo una placa de vidrio, es mayor cuanto mayor sea la superficie considerada y la variación de temperatura entre sus caras, y cuanto menor sea el espesor entre dichas caras.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por convección:
Proceso mediante el cual el calor fluye por el movimiento en masa de las moléculas desde un lugar hasta otro.
Ejemplos:
Sistemas de calefacción domésticos de aire y de agua caliente.
Sistema de enfriamiento de un motor de
combustión.
Flujo de sangre en el cuerpo.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por convección:
La convección natural en la atmósfera desempeña un papel dominante en la determinación del estado del tiempo, y la convección en los océanos es un mecanismo importante de transferencia global de calor.
El agua tiene un calor específico mucho mayor por lo que la tierra se calienta con mucha mayor rapidez durante el día. De noche la tierra se enfría más
rápidamente, mientras que el agua conserva más tiempo su temperatura.
Las diferencias de T entre la tierra y
el agua son
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por radiación:
Carga eléctrica en movimiento
Radiación Electromagnética
No requiere de ningún material como medio de
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
Por radiación:
La rapidez a la que un objeto radia energía es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura.
Algunos problemas…
1. Pérdida de calor al respirar. Cuando hace frío, un mecanismo importante de pérdida de calor del cuerpo humano es la energía invertida en calentar el aire que entra en los pulmones al respirar.
a) En un frío día de invierno cuando la temperatura es de -20 °C, ¿cuánto calor se necesita para calentar a la temperatura corporal (37°C) los 0,5 L de aire intercambiados con cada respiración? Suponga que la capacidad calorífica específica del aire es de 1020 J/kg K y que 1 L de aire tiene una masa de 1,3 x 10-3
kg.
b) ¿Cuánto calor se pierde por hora si se respira 20 veces por minuto?
2. Una varilla, larga y aislada está en contacto térmico perfecto para evitar pérdidas de calor por sus costados, en un extremo con agua hirviendo (a Patm) y con una mezcla agua-hielo en el otro. La varilla consiste en un tramo de 1 m de cobre unido a tope con un tramo L2 de acero. Ambos tramos tienen una área transversal de 4 cm2. La temperatura en la unión cobre-acero es de 65°C una vez que se alcanza el estado de equilibrio.
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1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Mecanismos de Transferencia de Calor
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
Procesos Termodinámicos:
Son aquellos procesos en los cuales el sistema se mueve desde un
estado de equilibrio a otro, interactuando con el medio ambiente.
Estas transformaciones deben transcurrir desde un estado
de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que
sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar
perfectamente definidas en dichos estados inicial y final.
Sistema Termodinámico:
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
Signos del Calor y el
Trabajo en Termodinámica
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
Calor
Trabajo
Energía que fluye de un cuerpo a otro debido a que
hay un ΔT entre ellos
Energía que se transmite de un sistema a otro de tal manera que no interviene
directamente un ΔT
a) Consideremos que el sistema sea el generador, el circuito eléctrico conectado con él, el agua, y su recipiente.
Q = 0
b) Consideremos ahora que el sistema sea únicamente el agua y su recipiente.
W = 0
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
Un estado de un sistema se especifica solo si el sistema esta en equilibrio térmico interno.
Consideremos un gas contenido en un cilindro ajustado con un pistón móvil.
En equilibrio, el gas ocupa un V y ejerce una P uniforme sobre las paredes del cilindro y sobre el pistón.
El trabajo total invertido en el gas a medida que su volumen cambia de Vi a Vf se conoce por:
4. Trabajo y Calor en Procesos
Termodinámicos
En general, la presión no es constante durante un proceso seguido por un gas, pero depende del volumen y la temperatura.
Diagrama PV: permite visualizar un proceso a través del cual avanza un gas. La curva en un diagrama PV se llama trayectoria entre los estados inicial y final.
4. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
La transferencia de energía adentro y fuera de un sistema mediante calor también depende del proceso
Los estados inicial y final del gas en a) y b) son idénticos pero las trayectorias son
diferentes
En a), el gas realiza trabajo sobre el pistón y se transfiere energía lentamente al gas, mediante calor.
En b), no se transfiere energía mediante calor y el valor del trabajo invertido es cero.
La transferencia de energía por calor, como el trabajo invertido, depende de
Contenido
1. Conceptos generales: calor, cantidad de calor, calor
específico, capacidad calorífica.
2. Equivalente Mecánico del Calor.
3. Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos.
4. Primera Ley de la Termodinámica.
La ley de la conservación de la energía establece que la energía mecánica de un sistema es constante en ausencia de fuerzas no conservativas, como la fricción.
Afirma que el cambio en la energía de un sistema es igual a la suma de todas las transferencias de energía a través de la frontera del sistema.
La primera ley de la termodinámica es un caso especial de la ley de conservación de energía que describe procesos que solo cambian la energía interna y las únicas transferencias de energía son mediante calor y trabajo.
Consecuencia existe una cantidad conocida como energía interna cuyo valor esta determinado por el
