Semana 12

Aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación.

Los mecanismos de transferencia de energía térmica son de tres tipos:

•  Conducción

•  Convección térmica

•  Radiación térmica

La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

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 vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

a transferencia de energía o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de kelvin.

Ley de Fourier.

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso de calor.

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros ópticos.

Bibliografía

www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/1513TranferenciadeCalor.pdf 

www.fisicanet.com.ar/.../ap08_transferencia_de_calor.php




Conservación de la energía

La energía mecánica total de un sistema es constante cuando actúan dentro del sistema sólo fuerzas conservativas. Asimismo podemos asociar una función energia potencial con cada fuerza conservativa. Por otra parte, la energia mecanica se pierde cuando esta presentes furzas no conservativas, como la friccíon.
En el estudio de la termodinámica encontraremos que la energia pude transformarse en energia interna del sistema. Por ejemplo, cuando un bloque desliza sobre una superficie rugoza, la energia mecanica perdida se transforma en energía interna almacenada temporalmente en el bloque y en la superficie, lo que se evidencia por un incremento mensurable en la temperatura del bloque. Veremos que en una escala submicroscópica esta energía interna está asociada a la vibracion de los atomos en torno a sus posiciones de eqilibrio. Tal movimiento atómico interno tiene energía cinetica y potencial. Por tanto, si a este incremento en la energía interna del sistema lo incluimos en nuetra expresión de la energía, la energia total se conserva.


Este es sólo un ejemplo de cómo podemos analizar un sistema aislado y encontrar siempre que su energía total no cambia, siempre que se tomen en cuenta todas las formas de energía. Esto significa que, la energía nunca pude crearse ni destruirse. La energía puede transformarse de una forma en otra, pero la energía total de un sistema aislado siempre es constante. Desde un punto de vista universal, podemos decir que la energía total del universo es constante. Si una parte del universo gana energía en alguna forma, otra parte debe perder una cantidad igual de energía. No se ha encontrado ninguna violacion a este principio.


Un objeto que se mantiene a cierta altura h sobre el suelo no tiene energia cinetica, pero, hay una energia potencial gravitacional asociada igual a mgh relativa al suelo si el campo gavitacional está incluido como parte del sistema. Si el objeto se suelta, cae hacia el piso, y conforme cae su velocidad y en consecuencia su energía cinetica aumenta,en tanto que la energía potencial disminuye. Si se ignoran los factores como la resistencia del aire, toda la energía potencial que el objeto pierde cuando cae aparece como energía cinetica. En otras palabras, las suma de las energías cineticas y potencial, conocida como energía mecanica E, permanece constante en el tiempo. Este es un ejemplo de la conservación de la energía. En el caso de un objeto en caida libre, este principio nos dice que cualquier aumento (o disminución) en la energía potencial se acompaña por una disminución (o aumento) igual en la energía cinética.


Puesto que la energía mecanica total E se define como la suma de las energías cinetica y potencial, podemos escribir.

E=K + U

Por consiguiente, es posible aplicar la conservacion de la energía en la forma Ei =Ef, o

Ki + Ui = Kf +Uf

Semana 11

Calores especifico y latente
CALOR ESPECIFICO

Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. 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. 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.

Se denomina calor específico a la capacidad calorífica correspondiente a la unidad de masa del sistema.

Así, denominamos m a la masa del sistema, cuya capacidad calorífica media es

Donde c es el calor específico medio, para el intervalo de temperatura ΔT. El calor específico es una propiedad intensiva, o sea independiente de la masa del sistema. Como su valor depende le la temperatura, lo mismo que la capacidad calorífica, para definirlo a una cierta temperatura debemos disminuir todo lo posible el intervalo ΔT haciendo tender las temperaturas al valor adoptado; o sea

Donde c es el calor específico verdadero a una temperatura T.

CALOR LATENTE

Cuando una sustancia pasa de una forma liquida a gaseosa, sus moléculas que estaban juntas en liquido, se mueven alejándose unas de otras. Esto exige que se realice trabajo contra las fuerzas atractivas que mantenían reunidas de moléculas. Esta energía aumenta la energía potencial de las moléculas mas que incrementar su energía cinética media de sus moléculas, no varia.

Se necesita cantidad especifica de energía térmica para el cambio de fase para una cantidad determinada de sustancia. El calor requerido es proporcional a la masa de la misma, de forma que el necesario para fundir una masa m sin cambio de temperatura es:

Q=mL

Donde L recibe el nombre de "calor latente (calor oculto)" de la sustancia y depende de la naturaleza del cambio de fase así como las propiedades de la sustancia. El calor latente de fusión Lf, es él termino utilizado cuando el cambio de fase es de sólido a liquido y el calor latente de vaporización, Lv, se emplea cuando el cambio de fase es de

liquido a gas.

Es la cantidad de energía bajo la forma de calor lanzado o absorbido por una sustancia durante un cambio de fase (es decir. sólido, líquido, o gas), - también llamó una transición de la fase.^[1][2]

El término fue introducido alrededor 1750 por Negro de José según lo derivado del latín latere, para mentir ocultado. El término ahora se fecha, substituido por “entalpia de la transformación ".

Dos latentes calienta (o los enthalpies) se describen típicamente: latente calor de la fusión (el derretir), y latente calor de la vaporización (el hervir). Los nombres describen la dirección del flujo del calor a partir de una fase al siguiente: gas líquido del → del → sólido.

Bibliografía

http://html.rincondelvago.com/calor-latente.html

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Latent_heat

Actividad de Laboratorio.

JUEVES 21 DE OCTUBRE DE 2010

Actividad de Laboratorio.

¿Que es el Calor específico y latente?

Equipo	RESPUESTAS
1	Calor específico: es la cantidad de calor necesaria para subir un grado o mas de temperatura un objeto con una masa de un gramo.
2
3	Calor latente: el cambio de temperatura de una sustancia conlleva a una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. Calor especifico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado.
4	Latente: cantidad de energía bajo la forma de calor lanzado o absorbido en un cambio de fases. Especifico: cantidad de calor necesaria para elevarla temperatura de una sustancia a un grado.
5	Calor latente: cambios físicos dados por la temperatura (aumento de volumen con calor y contracción de volumen en el enfriamiento) calor especifico: es la energía necesaria para elevar 1 grado C . a un gramo de materia o sustancia c=..!
6	Calor latente: El cambio de temperatura Calos específico: Calor que es necesario.

Q = m.Cp (Tf-Ti)

Q = energía transferida se mide en calorías.

Cp = Calor especifico del material  Cal/Grados centígrados.gramos

M = masa del materila en gramos

T = temperatura (inicial i Final f) grados centígrados.

Material: Vaso de precipitados 250 ml, termómetro, sistema de calentamiento, placa de aluminio o cobre,  balanza.

Procedimiento:

-       Pesar la placa de aluminio o cobre..

-       Pesar 100 ml de agua en el vaso de precipitados

-       Calentar  la barra metalica dentro del agua hasta ebullición,  midiendo la temperatura del agua.

-       Colocar la barra de metal en el calorímetro y medir la temperatura de equilibrio del agua inicial.

Metal	Masa gramos	Temperatura inicial del agua	Temperatura de equilibrio	-                     Calculo del calor especifico
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Conclusiones:

Actividad de Laboratorio.

¿Cuándo se produce el  Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna?

Equipo	Respuestas
1	Cuando existe diferencias de temperaturas en dos cuerpos cuando esta s dos se ponen en contacto se hacen iguales. El intercambio d energía térmica va del cuerpo que tiene mayor temperatura el que tiene menos   entonces la energía interna de igual manera se regula en ambos cuerpos.
2	Es cuando dos cuerpos con distinta temperatura  al ponerse en contacto existe transferencia de energía  generando el equilibrio térmico interno
3	Se produce cuando existen diferencias en cuanto a la temperatura de cada cuerpo. Intercambio de energía cuando va de mas a menos internamente en los cuerpos.
4	Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor cede parte de su energía al menor hasta que se igualan. Energía interna: La cantidad de partículas que tenga y la Ec de cada una de ellas. Temperatura: C cantidad de energía de un objeto.
5	Cuando dos cuerpos están en contacto la energía  interna de la mayor pasa al menor y quedan iguales.
6	Cuando la diferencia entre temperaturas  sea nula y al igualarlo también se iguala la energía interna

El equilibrio térmico

Material: Caldero, botella desechable, con tapa.

Sustancias: agua, gasolina.

Procedimiento:

-          Colocar cinco ml de la gasolina en el caldero.

-          Colocar tres ml de agua en la botella desechable.

-          Calentar con la flama del caldero la botella con agua hasta que salga vapor por la boca de la botella.

-          Tapar inmediatamente la botella y enfriarla.

-          Anotar los resultados y conclusiones.

Semana 11

Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Es el estado en el que se igualan las Temperaturas de dos cuerpos en cuyas condiciones iniciales tenian diferentes temperaturas. Al igualarse las Temperaturas se suspende el flujo de calor, el sistema formados por esos cuerpos llega a su EQUILIBRIO TERMICO.

Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna. La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas. Tienen energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en energía DE=mc² ....

Lo más fácil de medir es la variación de energía en un proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor. (Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...).

Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos "equilibrio térmico".

TEMPERATURA

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en sus movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, apesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo.

INTERCAMBIO DE ENERGIA INTERNA

Para comprender los fenómenos térmicos es necesario imaginar los cuerpos materiales como almacenes de partículas dotadas de movimiento de diferentes tipos: vibración, rotación y traslación. Cada uno de estos movimientos puede ser transferido a otra partícula que no lo tenga, mediante algún tipo de interacción, como por ejemplo choques o acciones ejercidas a distancia. Se dice en estos casos que las partículas tienen energía, la cual puede ser aumentada o disminuida, aumentando cualquiera de estos tipos de movimientos o todos a la vez.

La Energía Total de un objeto material depende del número de partículas que tenga, de la energía cinética de cada una de ellas y de la energía proveniente de las interacciones entre ellas. Esta energía total es la Energía Interna que tiene el cuerpo.

Esto quiere decir que un objeto material tiene mucha energía interna por tres razones: o porque tiene muchas partículas o átomos componentes, o porque sus átomos o partículas componentes tienen una energía muy alta., o ambas cosas a la vez, como ocurre en el caso de una estrella. Desde este punto de vista cuando calentamos un clavo ya sea con una vela o martillándolo, lo que se hace es incrementar la energía de sus partículas componentes, aumentando de esta manera su energía interna. Bibliografía http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/temperature_sp_06sep01.html http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/EquilibrioTermico/equilibrio_termico.htm