TRANSFERENCIA DE ENERGIA DE SUSTANCIA A OTRA: CALOR

El calor es una energa en trnsito. Setransfiere de los cuerpos que estn a unatemperatura elevada hacia los que tienenuna temperatura ms baja.

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El calor es una magnitud fsica escalar, quemide la transferencia de energa entre unsistema y su entorno, debido a su gradientede temperatura , a travs de su frontera.

EQUIVALENTE MECNICO DEL CALOR

EL AUMENTO DE TEMPERATURA DTES DIRECTAMENTE PROPORCIONALAL TRABAJO REALIZADO ALDESCENDER LOS BLOQUES UNADISTANCIA h

Sir James PrescottJoule, determinexperimentalmenteque:

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La constante de proporcionalidad hallada aproximadamente es 4,18 J/g C

Mediciones posteriores ms precisas demostraron que esta constante es4,186 J/g C cuando la temperatura suba de 14,5 C a 15,5C (cal 15)

Es la cantidad de

energa necesaria para

elevar la temperatura

de 1 g de agua de

14,5 C a 15,5 C

UNIDADES DEL CALOR

CALORA (cal)

Es la cantidad de

energa necesaria para

elevar la temperatura

de 1 lb de agua de 63

F a 64 F

UNIDAD TRMICABRITNICA (Btu)

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Es la unidad oficial del sistema internacional deunidades. Denominado as en honor a JamesPrescott Joule.Un joule (J) es el trabajo producido por unafuerza de un newton, cuyo punto de aplicacinse desplaza un metro en la direccin de lafuerza.En unidades elementales, el joule es:

JOULE (J)

2

2

111s

mkgNmJ

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EQUIVALENCIAS ENTRE LA

UNIDADES DE CALOR

1 cal = 4,186 J1 kcal = 1 000 cal = 4186 J1 Btu = 778 pie.lb = 252 cal = 1 055 J1 cal 15 =4,1858 J1 cal termoqumica = 4,1840 J1 cal media= 4,190 J1 cal TI = 4,1868 J

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La kcal = Cal (calora grande) se utiliza paraexpresar los valores energticos de los alimentos

Q = m ce D T

Es el calor requerido para cambiar latemperatura de la masa m de una sustanciaen un intervalo de temperatura DT)

Para cuerpos homogneos e isotrpicos ce = constante:

Es diferente para cada material

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dT

dQ

mce

1

dTmcdQ e

2

1

T

T edTcmdQ

SI T AUMENTA Q>0: EL CUERPO ABSORBE CALOR

SI T DISMINUYE Q

CALOR ESPECIFICO DEL AGUA

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ce = 4190 J/kg. Kce = 1cal/g. Cce = 1 Btu/lb . F

En la fase lquida:ce (J/kg K)

T (C)0 20 40 60 80 100

4170

4180

4190

4200

4210

4220

m = n M

dTnMcdQ e

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dT

dQ

ncM

1

Es el calor requerido para cambiar latemperatura de la cantidad de sustancia nen un intervalo de temperatura DT)

dTncdQ M

Q = n cM D T

2

1

T

T MdTcndQ

Para cuerpos homogneos e isotrpicos cM = constante:

Adems:

cM = M ce

Comparando:

dTmcdQ e

(LIQUIDA)

cM = M ce = (0,0180 kg/mol) (4190 J/kg . K) = 75,42 J/mol .K

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Donde:masa molar del agua = 18,0 g/mol = 0,0180 kg/mol

Calores especficos y Capacidades calorficas molares aproximadas(a presin constante)

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Sustancia ce (J/kg K) M (kg/mol) cM (J/mol K)

Aluminio 910 0,0270 24,6

Berilio 1970 0,00901 17,7

Cobre 390 0,0635 24,8

Etanol 2428 0,0461 111,9

Etiln glicol 2386 0,0620 148,0

Hielo (cerca de 0C)

2100 0,0180 37,8

Hierro 470 0,0559 26,3

Plomo 130 0,207 26,9

Mrmol (CaCO3) 879 0,100 87,9

Mercurio 138 0,201 27,7

Sal (NaCl) 879 0,0585 51,4

Plata 234 0,108 25,3

Agua (lquida) 4190 0,0180 75,4

TRANSFERENCIA DE ENERGA

Para que la energa en forma de calorpase de un cuerpo a otro amboscuerpos deben debe estar a distintatemperatura, teniendo cada no deellos una facilidad o resistencia a estatransferencia.

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AGUA: Alto calor especfico

VIDRIO: Ms bajo calor especfico.

MEDICION DE CALORES ESPECIFICOS Y

CAPACIDADES CALORFICAS MOLARES

METODO DIFICIL DE REALIZAR: Existen dos procesos: a presin constante ya volumen constante

SOLIDOS: GAS:

Calor especfico y Capacidad calorfica

molar respectivamente

( a presin constante)

cep y cp

Calor especfico y Capacidad

calorfica molar respectivamente

( a volumen constante)

ceV y cV

Para una sustancia dada cP y cV son diferentes

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REGLA DE DULONG Y PETIT

(SOLIDOS ELEMENTALES)

La capacidad calorfica molar de todos los elementos en estado

slido presenta valores prximos a 25 J/mol . K; o aproximadamente,

6 cal/mol K.

cM = 25 J/ mol . K

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Como el nmero de tomos contenido en un tomo-gramo de sustancia esel mismo (nmero de Avogadro) para todos los elementos, se infiere que serequiere aproximadamente la misma cantidad de calor por tomo paraproducir el mismo aumento de temperatura en todos los slidos.

CALORIMETRIA

CALOR

Tcnica utilizada para medir calores especficos

Calor sensible : cambio de temperatura

Calor latente : cambio de fase

Utilizando situaciones donde se produce EQUILIBRIO TRMICO

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FASES

SIN VARIACION DE TEMPERATURA

ABSORCION DE CALOR (endotrmico)

PRDIDA DE CALOR (exotrmico)

CAMBIO DE VOLUMEN Y DENSIDAD

FASE SLIDA

FASE LQUIDA

FASE GASEOSA

cambio de fase

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LQUIDO

SLIDO

vaporizacin

solidificacin

evaporacin

gasificacin

fusin

condensacinlicuacin

sublimacin

Sublimacininversa

Q = m L

CAMBIOS DE FASE

(calor de transformacin)

Este proceso es reversible

L depende de la presin

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EQUILIBRIO DE FASES

Distintas fases de un mismo materialpueden coexistir a una determinadatemperatura.

FUSIN - SOLIDIFICACIN

Q = m Lf

PARA EL AGUA:

Lf = 3,34 x 105 J/kg

Lf = 79,6 cal/g 80 cal/gLf = 143 Btu/lb

Lf = calor de fusin (o calor latente de fusin)

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VAPORIZACIN - CONDENSACIN

LV = calor de vaporizacin (o calor latente de vaporizacin)

PARA EL AGUA:

LV = 2,256 x 106 J/kg

LV 540 cal/gLV = 970 Btu/lb

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Q = m LV

Calores de fusin

*Se requiere una presin mayor que 25 atm para solidificar el helio.A presin de 1 atm, el helio sigue siendo lquido hasta el cero absoluto

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Punto de fusin normalLF (J/kg)Sustancia K C

Helio * * *

Hidrgeno 13,84 - 259,31 58,6 x 103

Nitrgeno 63,18 - 209,97 25,5 x 103

Oxgeno 54,36 - 218,79 13,8 x 103

Etanol 159 - 114 104,2 x 103

Mercurio 234 - 39 11,8 x 103

Agua 273,15 0,00 334 x 103

Azufre 392 119 38,1 x 103

Plomo 600,5 327,3 24,5 x 103

Antimonio 903,65 630,50 165 x 103

Plata 1233,95 960,80 88,3 x 103

Oro 1336,15 1063,00 64,5 x 103

Cobre 1356 1083 134 x 103

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Calores de vaporizacin

Punto de fusin normalLF (J/kg)Sustancia K C

Helio 4,216 - 268,93 20,9 x 103

Hidrgeno 20,26 - 252,89 452 x 103

Nitrgeno 77,34 - 195,8 201 x 103

Oxgeno 90,18 - 183,0 213 x 103

Etanol 351 78 854 x 103

Mercurio 630 357 272 x 103

Agua 373,15 100,00 2256 x 103

Azufre 717,75 444,60 326 x 103

Plomo 2023 1750 871 x 103

Antimonio 1713 1440 561 x 103

Plata 2466 2193 2336 x 103

Oro 2933 2660 1578 x 103

Cobre 1460 1187 5069 x 103

CAMBIOS DE FASE

CURIOSIDADES:El metal galio, que vemos aqufundindose en la mano de unapersona, es uno de los pocoselementos que funden cerca de latemperatura ambiente. Sutemperatura de fusin es de 29,8C y su calor latente de fusin esde 8,04 x 104 J/kg

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CAMBIOS DE FASE PARA EL AGUA

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T (C)

Q (cal)

a

b c

d e

f

- 30

0

100

120

15 94,7 194,7 734,7 744,3

Hielo +

agua

agua + vapor de agua

m = 1 gp = 1 atm

b = Punto de fusinc = Punto de solidificacind = Punto de vaporizacine = Punto de condensacin T = 100 C

T = 0 C

CAMBIOS DE FASE

SOBREENFRIADO:

El material se encuentra en una faseque no le corresponde segn sutemperatura (inestable). A cualquierperturbacin cambiar a la fasecorrespondiente.

Un ejemplo clsico de vapor subenfriado es la cmara de niebla de Wilson.Si el subenfriamiento del vapor es muy rpido, como cuando se expandevapor en una tobera, el cambio de fase no ocurre al alcanzar la lnea devapor saturado de equilibrio, sino que el vapor sigue expandindose en fasegaseosa hasta que sbitamente tiene lugar una onda de condensacinisentlpica con gran generacin de entropa.

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SOBRECALENTADO:

El material se encuentra en una fase queno le corresponde segn su temperatura(inestable). A cualquier perturbacincambiar a la fase correspondiente.

CAMBIOS DE FASE

Los ejemplos de lquido sobrecalentado abundan: el caso del vaso conagua en el microondas, es fcil conseguir que quede el agua lquida porencima de 100 C, y que con el simple movimiento de sacar el vaso (ointroducir una bolsita de t, o una cucharada de caf instantneo) seproduzca una ebullicin violenta de parte del agua (la que compense suentalpa de ebullicin con el enfriamiento del resto de lquido); ntese, sinembargo, que cuando sube la leche al hervirla, no es porsobrecalentamiento explosivo, sino porque las burbujas que se forman nocoalescen ni se rompen al salir, sino que quedan encerradas en pelculaslquidas bastante estables (metastables) que forman las espumas tpicas delas emulsiones de agua y grasas o polisacridos. El escape al rellenar unmechero de gas, rotura de depsitos y conducciones de agua caliente apresin, expansin del fluido de trabajo en los refrigeradores, etc.

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CAMBIOS DE FASE

(ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO)

Es un proceso por el cual una sustancia en estadolquido pasa al estado gaseoso, tras haberadquirido energa suficiente para vencer la tensinsuperficial. A diferencia de la ebullicin, esteproceso se produce a cualquier temperatura,siendo ms rpido cuanto ms elevada aqulla. Noes necesario que toda la masa alcance el punto deebullicin.

La evaporacin es rara pero importante e indispensable en la vida cuando setrata del agua, que se transforma en nube y vuelve en forma de lluvia, nieve,niebla o roco.Cuando existe un espacio libre encima de un lquido caliente, una parte desus molculas est en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materiagaseosa define la presin de vapor saturante, la cual no depende de latemperatura.Si la cantidad de gas es inferior a la presin de vapor saturante, una parte delas molculas pasan de la fase lquida a la gaseosa: eso es la evaporacin.

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PARA LA GASOLINA:

Lc = 46 000 J/gLc = 4,6 x 10

7 J/kg

Lc = Calor de combustin

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Es la proyeccin de Diagrama PVT, respecto alplano PT

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CONDUCCION CONVECCIONRADIACION

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(METALES: ELECTRONES LIBRES)

BUENOS CONDUCTORES ELECTRICOS

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Cuando el calor se propaga en los slidos transmitindose entre laspartculas su estado de vibracin, esta transmisin termina cuando todas laspartculas alcanzan el mismo estado de vibracin.Los metales que presentan abundantes electrones libres son buenosconductores calorficos.

BUENOS CONDUCTORES TERMICOS

MALOS CONDUCTORES

TERMICOS Y

ELCTRICOS

CONDUCCION DEL CALOR

H = Flujo de calor en estado estable debido a la conduccin en unavarilla uniforme por unidad de tiempo se denomina Corrientecalorfica por conduccin.

td

dQH

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CONDUCCION DEL CALOR

Temperatura vara de manera no uniforme

dx

dTkA

dt

dQH

dx

dT= GRADIENTE DE TEMPERATURA

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CORRIENTE CALORFICA POR CONDUCCIN

L

TkAH

D

k se denomina conductividad trmica del material

L

TT

L

T fc

D= GRADIENTE DE TEMPERATURA

Unidades: H [1 W = 1 J/s]k [W / m . K]

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CONDUCCION DEL CALOR

R

TTAH

fc )(

k

LR

Resistencia trmica del material (valor R del material):

m2 K/W

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Es la transferencia de calor debido a movimiento de masa de fluido de unaregin a otra.

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EL FLUIDO ES

IMPULSADO POR UN

AGENTE EXTERNO:

VENTILADOR

EL FLUIDO SE MUEVE POR

DIFERENCIAS DE DENSIDAD

(EXPANSION TERMICA)

Conveccin

forzada

Conveccin

natural o

conveccin libre

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CONVECCION DEL CALOR

1. Corriente de calor producida es directamente proporcional al rea

superficial.

2. La viscosidad de los fluidos frena la conveccin natural cerca de una

superficie estacionaria, formando una pelcula superficial (aislante). La

conveccin forzada reduce el espesor de esta pelcula.

3. La corriente de calor por conveccin es directamente proporcional a la

potencia de la diferencia de temperaturas entre la superficie y el

promedio de la masa principal del fluido.

ThAH D

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Dispositivo h (cal. s 1 cm 2 C 1)

Lmina horizontal mirando hacia arriba

0,595 x 10 4 (DT)1/4

Lmina horizontal mirando hacia abajo

0,314 x 10 4 (DT)1/4

Lmina vertical 0,424 x 10 4 (DT)1/4

Tubo horizontal o vertical (de dimetro D)

1,00 x 10 4 ( )1/4D

TD

Es la transferencia de calor propagado por ondas electromagnticas

A MAYOR TEMPERATURA: ONDAS ELECTROMAGNETICAS DE LONGITUDDE ONDA CORTA.

A MAYOR TEMPERATURA: ONDAS ELECTROMAGNETICAS DE FRECUENCIAALTA.

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MAYORIA DEL CALOR: RADIACION

FOTOGRAFIA INFRARROJA

La fotografa infrarroja o tcnicafotogrfica infrarroja, es aquellaque nos permite fotografiar unode los espectros lumnicoscomprendidos entre 700 y 1.200nanmetros, no visibles para elojo humano. Sus aplicacionespueden ser artsticas o cientficas.

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La energa emitida a cualquiertemperatura es una mezcla de ondas dedistintas longitudes de onda.

Temperatura Energa radiante

300 CEs transportada enondas infrarrojas

800 C

El cuerpo esautoluminoso al rojo;pero an la mayor partees transportada enondas infrarrojas

3 000 CBlanco incandescente.Ej.: Filamento de unalmpara incandescente

RADIACION DEL CALOR

4TAeH

Donde:H = Corriente calorfica por radiacinA = rea que irradia energae = emisividad, vara entre 0 y 1=Constante de Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10 8 W/m2 K4

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)(4444

SSneto TTAeTAeTAeH

En general cuando un cuerpo a temperatura T intercambia energa con suentorno a temperatura TS:

SALIDA NETA DE CALOR0netoHSi:

ENTRADA NETA DE CALOR0netoHSi:

RADIACION DE UN CUERPO NEGRO

Un cuerpo negro ideal es un Radiador ideal con emisividad = 1

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UN BUEN ABSORBEDOR DE RADIACION TAMBIEN ES UN BUEN EMISOR.

UN BUEN REFLECTOR DE RADIACION ES UN MAL EMISOR.

El cuerpo negro es el mejor receptor y el mejor emisor; por tanto, es el peorreflector

RADIACION DEL CALOR

Los mejores emisores son los mejores receptores

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RADIACION DEL CALOR

FRASCO DE DEWAR

Vista transversal de unfrasco de Dewar, el cualse usa para almacenarsustancias calientes ofras

El flujo de calor esmnimo.

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1. Calcule la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de50 g que est a - 30 C para derretirlo y obtener agua a 0 C.

Primero llevamos el hielo de 30 C a 0 C. La cantidad de calor a entregar es:

Q = ce.m (Tf -Ti ) = 0,5 cal/g C . 50 g . [ 0 C ( 30C ) ]

Q = 25 cal/g C . 30 CQ = 750 cal

Para derretir el hielo se necesitar : Q = m. L = 80 cal / g . 50 g

Q = 4000 cal

Entonces la cantidad de calor total que necesito es 750 cal + 4000 cal

Qtot = 4750 cal

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2. Los muros de un refugio de alta montaa constan, desde el exterior, deuna pared de hormign de 15 cm de espesor, de una capa aislante de 3 cmde espesor y de un recubrimiento interior de madera de 1 cm de espesor.a. Obtener las temperaturas en las interfases del muro con la capa aislante

en condiciones estacionarias.b. Calcule el flujo calorfico conducido por 1 m2 y 1 hora a travs de los

muros cuando la temperatura exterior es de 15C y la interior de 10C.(considere muy pequea la resistencia trmica del muro a radiacin-conveccin y khormign= 0,03 kcal/m s C; kaislante= 1x10

- 5 kcal/m s C;kmadera= 3x10

- 5 kcal/m s C.

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