CALOR, TEMPERATURA, MÁQUINA DE JOULE, ¡Y MÁS!
JUAN SEBASTIÁN ROJAS GIMANSIO FONTANA
TABLA DE CONTENDIOS Sección 1……………… Introducción al calor y la temperatura Sección 2……………… Unidades de calor y temperatura Sección 3……………... La máquina de Joule Sección 4……………… Las formas de transferencia de energía Sección 5...…………… Calor especifico Sección 6……………… Efecto Invernadero Sección 7……………… Ejercicios de aplicación
Sección 1: Introducción al Calor y la Temperatura . El calor es la transferencia de energía entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura entre ellos. La transferencia está vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas. Es importante aclarar que los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Se habla de calor cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura. Se producirá un traspaso de calor hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance un equilibrio térmico.
. La temperatura es una magnitud que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo posee. También es la propiedad que determina si un objeto está o no en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico uno con otro están a la misma temperatura.
. Aunque están relacionadas el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras la temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del
número o del tipo. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya.
Sección 2: Unidades de Calor y Temperatura
. Las unidades de calor son Joule (J), Caloría (cal), Kilocaloría (kcal). Es importante tener en cuenta que:
. Las unidades de temperatura son grados Centígrados (°C), Kelvin (°K), Fahrenheit (°F). Es importante tener en cuenta que:
Sección 3: La máquina de Joule
. La máquina de Joule determina la relación entre la unidad de energía Joule y la unidad de calor calórica. Mediante la máquina de Joule se pretende entender y observar la cantidad de energía que es necesaria transformar en calor para elevar la temperatura de un volumen de agua.
. Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua. La disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua.
. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/ (g °C). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C.
. Al aislar el sistema estamos asegurando que el calor no puede entrar o salir del sistema, lo que garantiza que si hay un cambio en la energía del sistema debe ser consecuencia del trabajo que estamos realizando mediante la energía cinética o de movimiento que estamos imprimiendo al agua mediante el sistema. Sección 4: Las formas de transferencia de energía . Las formas de transferencia de energía (la energía pasa de un cuerpo a otro) son: - Trabajo: Cuando se realiza un trabajo se pasa energía a un cuerpo que cambia de una posición a otra. - Ondas: La propagación de perturbaciones de ciertas características, como el campo eléctrico, el magnetismo o la presión y se propagan a través del espacio transmitiendo energía. - Calor: Se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo caliente a otro cuerpo más frio. Tiene tres formas diferentes de transferencia, conducción que es cuando se calienta un extremo de un material sus partículas vibran y chocan con las partículas vecinas. Radiación, se propaga a través de ondas de radiación infrarroja. Convección, es propia de fluidos en movimiento.
Ejemplo de trabajo: Empujar una caja Ejemplo de Conducción: Al hervir agua, la llama conduce el calor al recipiente y al cabo de un tiempo permite calentar el agua. Ejemplo de Convección: El secador de manos o de pelo, que transmiten calor. Ejemplo de Radiación: La radiación ultravioleta solar, precisamente el proceso que determina la temperatura terrestre.
Sección 5: Calor Especifico
. El calor especifico es que la cantidad de energía se le tiene que agregar a un kilogramo de una sustancia para aumentar su temperatura en un grado centígrado.
Formula: Q = m•c•ΔT Q= calor, m = masa, c=calor especifico, ΔT= cambio en la temperatura (Tf – Ti)
. Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía se necesita para incrementar la temperatura. . El señor Joseph Black fue quien introdujo el concepto de calor especifico. Sección 6: Efecto Invernadero
. El efecto invernadero es un fenómeno por el que determinados gases de una atmosfera retienen parte de la energía que el suelo emite al haber sido calentado por la radiación solar. También el efecto invernadero determina la temperatura de la tierra.
. Varios componentes atmosféricos, tales como el vapor de agua, el dióxido de carbono, tienen frecuencias moleculares vibratorias en el rango espectral de la radiación emitida por la Tierra. Estos gases de efecto invernadero absorben y reemiten la radiación en onda larga, devolviéndola a la superficie terrestre, causando el aumento de temperatura
Sección 7: Ejercicios de Aplicación
1. Si se aplican 1600 J de calor a una esfera de bronce, su temperatura sube de 20 a 70 °C ¿Cuál es la masa de esa esfera? Q= 1600 J
m= Q ÷ c•ΔT
Ti = 20°C Tf= 70°C
m= 1600 J ÷ 0.385 J/g•°C (70°C – 20°C)
c= 0.385 J/g•°C
m= 82.1g
2. ¿Cuánto calor absorbe un congelador eléctrico cuando hace que la temperatura de 2kg de agua descienda de 80 a 20°C? m= 2kg
Q= c•m•ΔT
Ti= 80°C Tf= 20°C
Q= 4182 J/kg•°C • 2kg (20°C – 80°C)
c= 4182 J/kg•°C
Q= -502,320 J El agua pierde -502,320 J de calor y el congelador absorbe 502,320 J de calor.
3. La sangre transporta el exceso de calor del interior a la superficie del cuerpo, donde se dispersa el calor. Si a 0.250 kg de sangre a una temperatura de 37 °C fluye hacia la superficie y pierde 1500 J de calor, ¿Cuál será la temperatura de la sangre cuando fluye de regreso al interior?
Q= -1500 J
Tf= Q ÷ c•m + Ti
m= 0.250 kg
Tf= -1500 J ÷ 4186 J/kg•°C • 0.250kg
Ti= 37°C c=4186 J/kg•°C
Tf= -1.43 + 37°C Tf= 35.6 °C