ÁREA: MATEMATICAS ASIGANTURA: FISICA GRADO: 8° GRUPO:__ JORNADA:___
PROFESORES: MARÍA ISABEL TRUQUE MURILLO - RAFAEL SANABRIA TAPIAS
ALUMNO:______________________________________________________________________
DOCUMENTO Nº 5. PRESIÓN –CALOR Y TEMPERATURA
EL CONCEPTO DE PRESIÓN
Cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo.
Así, un golpe de martillo sobre un clavo bien afilado hace que penetre mas en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta que recibiera el mismo impacto.
Un individuo situado de puntillas sobre una capa de nieve blanda se hunde, en tanto que otro de igual peso que calce raquetas, al repartir la fuerza sobre una mayor superficie, puede caminar sin dificultad.
La presión depende no sólo de la magnitud de la fuerza, sino de la superficie sobre la cual se ejerce dicha fuerza.
Un clavo afilado penetra más que otro, recibiendo los dos el mismo golpe de martillo
El cociente entre la intensidad F de la fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área S de dicha superficie se denomina presión:
La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será entonces la presión resultante.
LA PRESIÓN EN LOS FLUIDOS
El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie.
Los fluidos no tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza.
Cuando un fluido está contenido en un recipiente, ejerce una fuerza sobre sus paredes y, por tanto, puede hablarse también de presión.
Si el fluido está en equilibrio las fuerzas sobre las paredes son perpendiculares a cada porción de superficie del recipiente, ya que de no serlo existirían componentes paralelas que provocarían el desplazamiento de la masa de fluido en contra de la hipótesis de equilibrio.
La orientación de la superficie determina la dirección de la fuerza de presión, por lo que el cociente de ambas, que es precisamente la presión, resulta independiente de la dirección; se trata entonces de una magnitud escalar.
UNIDADES DE PRESIÓN
En el SI la unidad de presión es el pascal, se representa por Pa y se define como la presión correspondiente a una fuerza de un newton de intensidad actuando perpendicularmente sobre una superficie plana de un metro cuadrado. 1 Pa equivale, por tanto, a 1 N/m2.
CONCEPTO DE CALOR
El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos
CONCEPTO DE TEMPERATURA
La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).
DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.
Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.
Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.
La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.
Al aplicar calor, sube la temperatura.
MEDIDA DE LA TEMPERATURA
Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura.
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.
Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de
temperatura es la siguiente:
oK = 273.15 + oC oC = (5/9)*(oF-32) oF = (9/5)*oC+32
MEDIDA DEL CALOR
En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en el sistema británico se mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor también se puede medir en calorias.
La unidad Julio fue nombrada en honor del físico Inglés James Prescott Joule (1818 - 1889), descubridor de que el calor es un tipo de energía.
El experimento de Joule fue muy importante porque demostró que podemos calentar agua sin necesidad de usar fuego. En un recipiente con agua y con un termómetro para controlar su temperatura, Joule hizo girar vigorosamente un molinillo.
Después de un rato se dio cuenta de que la temperatura del agua aumentaba. Trás de repetir el experimento muchas veces llegó a la conclusión de que 4.19 Julios de trabajo eran necesarios para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius.
Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit.
1 BTU = 1,000 Julios
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsisus.
“El calor especifico (c) de un material se refiere a la cantidad de calor que debe fluir de o hacia una unidad de masa, para cambiar en un grado su temperatura.”
En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado.
Relación entre unidades
1 kgm = 9,8 J 1 J = 107 erg
1 kgm = 9,8.107 erg
1 cal = 4,186 J 1 kcal = 1000 cal = 10³ cal
1 BTU = 252 cal
El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.
Por ejemplo, el aluminio tiene un peso específico de 0.21 [cal /g ºC]. Que significa que para que la masa de 1 gramo de aluminio aumente su temperatura en 1ºC, se necesita un flujo de calor de 0.21 [cal].
Ecuación fundamental de la calorimetría
Dónde:
Q = calor requerido (en calorías)
Ce = Calor específico (en cal/gº C)
ΔT = variación de temperatura o Tf – Ti (en grados C) m = masa
CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS
Sustancia Aluminio Cobre Oro Hierro Plomo Plata
Calor específico (cal/g.ºC) 0,215 0,0924 0,0308 0,107 0,0305 0,056
EJERCICIOS RESUELTOS
1) Qué cantidad de calor se debe suministrar a 200gr de aluminio para elevar su temperatura de 10ºC a 40ºC ¿
m = 200gr
ΔT = 40ºC – 10ºC= 30ºC
Q = Ce m ΔT
Q = 0,215 cal/g.°C x 200gr x 30ºC = 1290 cal
2) ¿Qué variación de temperatura experimenta un bloque de hierro de 100gr que absorbe 450 cal?
Solución/
ΔT =
m
Ce
Q
.
=gr
cal
C
gr
cal
100
º
107
,
0
450
=
º
C
7
,
10
450
= 42ºC
EJERCICIOS PROPUESTOS
1) Una lámina de cobre de 520gr se calienta pasando su temperatura de 16,5ºC a 38,3ºC; qué cantidad de calor se debió suministrar?
2) Un bloque de cobre de masa 200gr es calentado de 30ºC a 80ºC, qué cantidad de calor se suministró al bloque?
TRANSFERENCIA DEL CALOR
La transmisión de energía en forma de calor puede realizarse de tres formas:
Conducción, por contacto y sin movimiento de materia.
Convección, con movimiento de materia.
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, la cual se da por contacto directo entre las sustancias. Por ejemplo, si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.
No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura y el movimiento que los mismos átomos ejercen.
Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor, como lo son los metales de transición interna.
• Por Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir.
Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se
fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
• Por Radiación
