ENERGIACALOR I TEMPERATURA

PROPAGACIÓ DE LA CALOR

ENERGIA

L'energia és la magnitud física per la qual els cossos tenen capacitat per a efectuar transformacions en ells mateixos o en altres cossos. És tot allò que va que les coses es moguin, funcionin o s'escalfin. En el sistema internacional, la unitat de l'energia és el Joule (J). (1 joule ve a ser l'energia necessària per llançar una poma de 100 g a 1 metre cap a dalt, o l'energia que allibera la mateixa poma quan cau 1 m cap al terra).

Qualitats de l'energia:

L'energia no es crea ni es destrueix, únicament es transforma.

Principi de conservació de l'energia: la quantitat total d'energia de l'Univers es manté constant en qualsevol procés.

Principi de degradació de l'energia: amb cada transformació, l'energia va perdent qualitat, es degrada, perquè es converteix en energia calorífica, en calor, que es va disipant i es perd.

Les diferents fonts d'energiaExisteixen diferents recursos naturals dels qualsels éssers humans podem obtenir energia per dur a terme les activitats necessàries. Segons la durada del recurs natural per l´ús que se li dóna, poden classificar-se en fonts d'energia no renovables (el recurs natural s'exhaurirà): carbó, petroli, gas natural i materials fissionables i fusionables o fonts d'energia renovables (el recurs natural és inexhaurible): aigua embassada, radiació solar, vent, aigua del mar, biomassa i calor interna de la Terra.

Formes d'energia

Existeixen difents tipus de transformacions que van associades a diferents tipus d'energia:Energia mecànica Em - associada al moviment dels cossos o a la posició que ocupen.Pot ser:energia cinètica Ec: associada al moviment (velocitat del cos)energia potencial gravitatòria Epg: associada a la posició (altura del cos)energia potencial elàstica Epe: associada a la deformació (elasticitat del cos)

Energia tèrmica - associada a la temperatura d'un cos (variacions de temperatura, canvis d'estat, dilatacions)Energia química - associada a l'estructura interna de la matèria (forces entre àtoms) que es posa de manifest en les reaccions químiques endotèrmiques (absorbeixen energia per tenir lloc) i en les reaccions químiques exotèrmiques (desprenen energia quan tenen lloc)Energia radiant - associada a les radiacions electromagnètiques, com la llumEnergia elèctrica - associada al corrent elèctric (generadors elèctrics, piles i bateries)Energia nuclear - associada al nucli atòmic, que es posa de manifest quan els nuclis es divideixen (fisió nuclear - centrals nuclears, armes nuclears -) o s'uneixen (fusió nuclear - estrelles)

Energia cinètica Ec: associada al moviment (velocitat del cos).

Ec = 1 m.v2

2

Com major sigui la seva velocitat, major serà l'energia cinètica del cos. Com major sigui la massa del cos, major energia cinètica té (comparant velocitats iguals).

Energia potencial gravitatòria Epg: associada a la posició (altura del cos)

Ep = m.g.h

Com major sigui l'altura respecte el terrra, major serà l'energia potencial del cos.Com major sigui la massa del cos, major energia potencial té (comparant altures iguals).

Energia potencial elàstica Epe: associada a la deformació (elasticitat del cos)

Hi ha formes d'energia que no es manifesten perquè estan enmagatzemades: energia potencial, quan un objecte és elevat sobre el terra; energia potencial elàstica, quan un objecte elàstic és deformat; energia elèctrica, quan un objecte té càrrega elèctrica; energia química, en els aliments, en els combustibles, en les piles..., energia nuclear, quan la substància és radioactiva.

L'energia no es crea ni es destrueix, únicament es transforma.

Treball és una de les formes de transmissió d'energia entre els cossos, però no és una cosa que un cos posseeix. Quan un cos fa un treball, perd energia, perquè la transmet cap a un altre cos. Quan un cos fa una força sobre un altre cos, el treball produït és l'energia transferida del cos que fa la força al cos que la rep, sempre que aquest es desplaci, sinó la força no ha produït treball.

El treball W (J) que fa una força F (N) constant aplicada a un cos al qual se li produeix un desplaçament rectilini d (m) en la mateixa direcció i sentit que la força aplicada és el producte de la força pel desplaçament.

W = F . d

Una altra forma de transferir energia és la calor i la radiació.La calor és l'energia que es transfereix quan es posen en contacte dos cossos amb temperatures diferents. L'energia del cos a més temperatura, passa al cos de menys temperatura i aquesta energia transferida és la calor.La radiació és l'energia transferida en forma d'ones, com la llum.

Totes aquestes formes de transmissió d'energia es mesuren en joules (J) al SI.

Potència

Un mateix treball es pot efectuar de manera ràpida o a poc a poc. Per tal d'avaluar la rapidesa amb la que es realitza un treball es defineix la potència P. A major potència, un treball es realitza a major velocitat que si la potència és menor. La potència P (w) és la relació entre el treball realitzat W (J) i el temps emprat t (s).

P = W t

La unitat de mesura de la Potència és el watt (w): 1 w = 1 J / 1 sAltres unitats de potència molt utilitzades són:- cavall de vapor (CV) 1CV = 735 w (en la potència dels motors)- quilowatt: 1kW = 1.000 w (en la potència d'aparells elèctrics)

Per calcular l'energia elèctrica que necessita un aparell elèctric, sabent la seva potència de consum, i el temps que està en ús, s'utilitza W = P . t i aquest treball o energia elèctrica es mesura en J al SI o també en kW-h, sabent que: 1 J = 3.600.000 kW-h = 3,6. 106 J

CALOR I TEMPERATURA

Energia tèrmica és l'energia que té un cos calent i que es manifesta a través de la temperatura. Com més alta és la temperatura d'un cos, més energia tèrmica té. L'energia tèrmica es transfereix d'un cos calent a un cos fred en forma de calor.

Temperatura T: és una mesura de l‛energia cinètica mitjana de les partícules d‛un cos, de manera que un cos està a més temperatura que un altre si l‛energia cinètica mitjana de les seves partícules és més gran. Com que mesura un valor mitjà, no depèn del nombre de partícules del cos i representa una mesura de l‛energia tèrmica. L'aparell per mesurar temperatura és el termòmetre, en unitats de graus Celsius (ºC).La unitat de mesura de la temperatura és el kelvin (K) que es relaciona amb el grau Celsius (ºC) per: T (K) = T (º C) + 273,15.

Calor Q: és l‛energia interna transferida d‛un cos a un altre a causa d‛una variació de temperatura. El calor és la quantitat d‛energia que cedeix el cos calent al fred (calor negativa) o la quantitat d‛energia que absorbeix el cos fred del calent (calor positiva). Com que la calor és una forma d‛energia (com ho és el treball), la unitat de mesura és el Joule (J). També es pot mesurar en calories : 1 cal = 4,184 J (1 cal és la quantitat de calor que cal donar a 1 g d'aigua pura perquè elevi la seva temperatura 1ºC, de 14,5ºC a 15,5ºC.)

Calor amb variació de temperatura

Per escalfar un cos de massa m d'una temperatura inicial Ti a una temperatura final Tf s'ha de subministrar energia tèrmica o calor Q.

Q = m Ce (Tf - Ti)

Com més gran sigui la massa del cos, més calor caldrà donar per aconseguir augmentar la temperatura. Com major sigui l'augment de temperatura desitjat, caldrà donar més calor.

Cada substància té una capacitat calorífica específica Ce característica que indica la quantitat de calor necessària que cal donar a 1 g d'aquesta substància per fer augmentar 1ºC la seva temperatura. A major Ce, més energia cal per augmentar la temperatura.

Ce aigua pura = 4,2 J / ºC gCe etanol = 2,4 J / ºC g

Dilatació tèrmica: augment de volum, quan un cos s'escalfa (es dilata).Contracció tèrmica: disminució de volum quan un cos es refreda (es contrau).(generalment, els líquids es dilaten més que els sòlids, i els gasos més que els líquids, perquè com més lliures són les partícules que formen la matèria i més espai hi ha entre elles, és més fàcil, en escalfar-se, desplaçar-se i guanyar volum.

Termòstats dispositius que s'utilitzen per mantenir la temperatura constant (cas d'escalfadors elèctrics, forns, refrigeradors i estufes).

per aconseguir la mateixa variació de temperatura, cal més calor en el cas de l'aigua (emmagatzema més energia i per això, també li costa més refredar-se) que en el cas de l'etanol, que s'escalfa més ràpid.

Calor sense variació de temperatura: Calor de canvi d'estat

Quan s'escalfa un cos i aquest canvia d'estat (fusió, vaporització, sublimació), la temperatura del canvi d'estat (Tf, Te, Ts) es manté constant mentre dura el canvi d'estat, però per aconseguir-ho s'ha donat energia tèrmica o calor que s'ha utilitzat en modificar l'estructura interna del cos, és a dir, per vèncer les forces internes entre partícules, augmentar la distància entre elles i la llibertat de moviment de les mateixes.

Cada substància té un calor latent de canvi d'estat L característic que indica la quantitat de calor necessària que cal donar a una quantitat de substància per canviar el seu estat físic a la temperatura d'estat corresponent.

Q = m . L L calor latent de canvi d'estat

Lf gel = 334 kJ/kgLv aigua = 2260 kJ/kg

per aconseguir fer el canvi d'estat corresponent, amb una mateixa massa, caldrà molta més energia per vaporitzar l'aigua que no pas per fondre-la.

PROPAGACIÓ DE LA CALOR

La calor, com a forma de transmissió d'energia tèrmica, pot propagar-se de tres formes diferents:

Conducció: per contacte en cossos conductors de la calor (com els metalls, que són també conductors elèctrics), on l'energia tèrmica deguda a l'energia cinètica pels xocs entre partícules passa de la part del cos més calent a la més freda. Els materials aïllants no són bons conductors: sòlids no metàl∙lics com la fusta, plàstics i vidre (aïllants tèrmics). L'aire i els gasos, en general, són els pitjors conductors de la calor.

Convecció: per dilatació de l'aire i de l'aigua (mals conductors de la calor) que formen corrents de convecció, on l'energia tèrmica es transfereix mitjançant el desplaçament cap amunt de les parts calentes de gasos o líquids respecte de les parts fredes. L'aire calent es dilata, es fa menys dens, i s'enlaira sobre l'aire fred. L'aigua calenta es dilata, es fa menys densa, i puja per damunt de l'aigua freda. Quan l'aire calent o l'aigua calenta es refreda, torna a ocupar el lloc inicial i genera el corrent de convecció i el cicle torna a començar.

convecció

conducció

radiació

Radiació tèrmica: l'energia tèrmica es transmet en forma de rajos de calor que emeten els cossos calents i que escalfa els cossos que l'absorbeixen. Com més alta és la temperatura d'un cos, més gran és la intensitat de la radiació tèrmica que emet. Les superfícies negres i rugoses són les millors emissores de la radiació i les més absorbents. Les superfícies blanques i platejades són les menys absorbents, les que reflecteixen més la radiació i són les pitjors emissores.

per estaviar energia (i despesa en electricitat o combustibles) interessa reduir al màxim les pèrdues de calor cap a l'exterior, és a dir, aïllar tèrmicament la casa.

Aïllament tèrmic de les cases