INTRODUCCIÓN A LA TÉRMICA
La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía térmica.
La termodinámica es el estudio de la temperatura, del calor y del intercambio de energía. La temperatura nos resulta familiar a todos como la medida del grado de calor o frío de los cuerpos. Con más precisión, es una medida de la energía cinética molecular interna promedio de un cuerpo, pero tanto la definición como la determinación de la temperatura son temas complejos.
El calor es la energía que se transfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperaturas. Hasta mediados del siglo XIX los científicos apoyaban la teoría de los atomistas griegos, los cuales consideraban el calor como una manifestación del movimiento molecular. Se consideraba al calor como una sustancia material fluida, invisible, y sin peso; esta sustancia se llamó "calórico" no podía ser creada ni destruida pero sí transferida de un cuerpo a otro. Hasta 1840 no floreció la teoría mecánica moderna del calor. Desde este punto de vista, el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperaturas.
Temperatura: El concepto de temperatura se fundamenta en la idea del equilibrio térmico y en la propiedad de transición que se ha dado en llamar Principio Cero de la Termodinámica. Se puede hacer una descripción macroscópica y microscópica de la temperatura, macroscópica porque a través del tacto se puede observar que tan caliente o frío está un objeto y microscópica por medio de un termómetro.
Equilibrio térmico: Se puede decir que dos cuerpos están en equilibrio térmico, cuando sus partículas no intercambian una cantidad neta de energía, siendo por consiguiente, iguales sus temperaturas. En este concepto se apoya la termodinámica para medir la temperatura de los cuerpos.
¿Qué mide un termómetro? Un termómetro mide la temperatura, alcanzando el equilibrio térmico con el cuerpo al que se le quiere medir la temperatura.
Medida de la temperatura:
La temperatura se mide en grados, cuya definición depende de las escalas térmicas consideradas: Celsius, Fahrenheit, absoluta (Kelvin), Réaumur, etc. En el Sistema Internacional, la unidad de temperatura es el Kelvin (símbolo K).
Escala Celsius
El termómetro de mercurio, corrientemente utilizado para medir temperaturas, consiste en una columna de mercurio encerrada en un tubo capilar, de manera que al variar la temperatura se modifica la altura del líquido dentro de la columna. La relación entre la temperatura T y la diferencia de altura de mercurio en el tubo responde a una función lineal de la forma:
Siendo m la pendiente de la función y b el valor inicial sobre el origen.
Los valores de m y b dependen de la escala termométrica elegida, y suelen fijarse asignando a los puntos de fusión y ebullición del agua valores convencionales concretos.
La escala Celsius, también llamada centígrada, asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 al punto de ebullición del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmósfera).Entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos, cada uno de los cuales corresponde a un grado centígrado o Celsius.
Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos países del mundo, admite valores negativos (también referidos como temperaturas «bajo cero»).
Representación gráfica de la temperatura, a modo de una función lineal. Escala Fahrenheit
Al punto de congelación del agua en condiciones de presión normal (1 atmósfera) se le asigna el valor 32.
Al punto de ebullición normal del agua se le atribuye el valor 212.
Las relaciones que permiten pasar de un valor en escala Celsius (TC) y a la inversa a Fahrenheit (TF) son las siguientes:
Escala absoluta
El descubrimiento de que la temperatura posee un valor mínimo insuperable, estimado en – 273,15 ºC, propició que, en el ámbito científico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperaturas la escala absoluta o Kelvin.
Esta escala elige como valor origen el –273,15, también llamado cero absoluto, de manera que la equivalencia entre la escala absoluta y la Celsius viene dada por la expresión siguiente:
La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin. CONVERSION DE TEMPERATURA
Para buscar grados Celsius dado grados Fahrenheit: ºC = (ºF - 32)x 0,555
Para buscar grados Fahrenheit dado grados Celsius: ºF = 1,8xºC + 32
Para convertir a temperatura absoluta a los grados Celsius se le suma el valor de 273,15 y se obtienen los Kelvin, en caso de grados Fahrenheit se debe convertir a grados Celsius para obtener los Kelvin.
El calor como una forma de energía
cantidad de calor necesario para subir a un gramo masa del cuerpo un grado centígrado su temperatura.
El Calor y la temperatura
Es una forma de energía que se aprecia por los efectos que provoca en los cuerpos. Cuando a un cuerpo se le aplica calor sus átomos o moléculas (que no están quietas) aumenta el movimiento de los mismos cuanto mayor sea el calor aplicado. Por tanto podemos decir que es una forma de energía que se manifiesta como un movimiento muy activo de las partículas que forman los cuerpos.
Calor Específico y Capacidad Calorífica
Es la cantidad de calor, expresado en calorías, que hace flata para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo masa del cuerpo. En cambio se tiene por capacidad calorífica a la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de la masa total de ese cuerpo.
La capacidad calorífica está en relación al calor específico que corresponde a la unidad de masa de esa materia y es igual al producto del calor específico por la masa del cuerpo. Si llamamos M a la masa y c al calor específico tendremos:
Capacidad Calorífica = M * c
Conducción del calor:
La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy reducida en el espacio ultra alto vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.
Dilatación térmica:
Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.
También se conoce simplemente como dilatación, y se define como el aumento de volumen que ocurre en un cuerpo debido al aumento de su temperatura.
Por lo general los sólidos, líquidos y gases se dilatan cuando aumenta la temperatura y se contraen cuando esta disminuye.
El agua es un caso especial pues esta se dilata también con el frío, se dice que el agua no está dilatada cuando se encuentra a 4°c.
EJERCICIOS: DILATACIÓN LINEAL
Lf = L0 [ 1 + α(Tf – T0)]
1. A una temperatura de 15 ºC una varilla de hierro tiene una longitud de 5 m. ¿Cuál será su longitud al aumentar la temperatura a 25 ºC? ( α = 11,7 x 10-60C-1 )
2. ¿Cuál es la longitud de un cable de cobre al disminuir la temperatura a 14 ºC, si con una temperatura de 42 ºC mide 416 m? ( α = 16,7 x 10-60C-1 )
3. Un puente de acero de 100 m de largo a 8ºC, aumenta su temperatura a 24ºC. ¿Cuánto medirá su longitud? Respuesta: Lf = 100.0184 m ( α = 11 x 10-60C-1 )
4. ¿Cuál es la longitud de un riel de hierro de 50 m a 40ºC, si desciende la temperatura a 6ºC? ¿Cuánto se contrajo? Respuestas: Lf = 49.980011 m. Se contrajo 0.01998 m ( α = 11,7 x 10-60C-1 )
DILATACIÓN CÚBICA
Vf = V0 [1 + β ( Tf – T0)] ٧V = VF - V0
1. Una barra de aluminio de 0.01 m3 a 16ºC se calienta a 44ºC. Calcular: a) ¿Cuál será el volumen final? b) ¿Cuál fue su dilatación cúbica? ( β = 67,2 x 10-6 0C -1 )
2. Una esfera hueca de acero a 24ºC tiene un volumen de 0.2 m3, calcular: a) ¿Qué
volumen tendrá a – 4ºC en m3 y en litros? b) ¿Cuánto disminuyo su volumen en litros? ( β = 34,5 x 10-6 0C -1 )
4. A una temperatura de 15ºC un matraz de vidrio con capacidad de 1 litro se llena de mercurio y se calienta ambos a 80ºC, Calcular:
a) ¿Cuál es la dilatación cúbica del matraz? ( βvidrio = 219 x 10-6 0C -1 ) b) ¿Cuál es la dilatación cúbica del mercurio? ( βHg = 182 x 10-6 0C -1 ) c) ¿Cuánto mercurio se derramara en litros y en cm3?
5. Un tubo de cobre tiene un volumen de 0.009 m3 a 10ºC y se calienta a 200ºC. Calcular: a) ¿Cuál es su volumen final? b) ¿Cuál es su dilatación cúbica en m3 y en litros?
6. Una barra de aluminio tiene un volumen de 500 cm3 a 90ºC. Calcular: a) ¿Cuál será su volumen a 20ºC? b) ¿Cuánto disminuyo su volumen?.
CALOR ESPECÍFICO
C = ٧Q / ٧T (Cal/0C, J/0C ) Ce = C / m, Ce = ٧Q / m ٧T
1) ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 12 Kg. para que eleve su temperatura de 22ºC a 90ºC?
2) 600 g de hierro se encuentran a una temperatura de 20ºC. ¿Cuál será su temperatura final si le suministran 8000 calorías?
3) ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrar a 500 g de agua para que eleve su temperatura de 10ºC a 80ºC?
4) ¿Cuantas calorías se deben suministrar para que un trozo de hierro de 0.3 Kg. eleve su temperatura de 20ºC a 100ºC?
5) Determine el calo específico de una muestra metálica de 100 g que requiere 868 calorías para elevar su temperatura de 50ºC a 90ºC. Consulte el cuadro 11.3m a fin de identificar de que sustancia se trata.
6) Determinar la cantidad de calor que cede al ambiente una barra de plata de 600 g al enfriarse de 200ºC a 50ºC
