El calor.Unidad 16

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Contenidos (1)1.-Temperatura. Escalas termomtricas.2.- Calor.3.- La transmisin del calor.3.1.Con cambio de temperatura. 3.2.Con cambio de estado.3.3.Equilibrio trmico.4.- La dilatacin de los cuerpos

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Contenidos (2)5.-. Equivalencia entre calor y trabajo.6.- Energa interna7.-Primer principio de la termodinmica.8.-Segundo principio de la termodinmica. 9.- Mquinas trmicas.

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Temperatura (T).Es una medida de la energa cintica media que tienen las molculas. A mayor temperatura mayor agitacin trmica (mayor energa cintica media).Es una magnitud intensiva, es decir, no depende de la masa del sistema.Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio trmico).Para medir T se utilizan los termmetros que se basan en la dilatacin de los lquidos (normalmente mercurio).

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Escalas termomtricas.Centgrada (Celsius).(C)Es la que usamos normalmente.Usa el 0 el punto de fusin del agua y 100 el punto de ebullicin de la misma.Farenheit (F).Utilizada en el mundo anglosajn.Usa el 32 el punto de fusin del agua y 212 el punto de ebullicin de la misma.100 C equivalen a 180 F

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Escalas termomtricas (cont.).Absoluta (Kelvin). (K)Se usa en Qumica.Usa el 273 el punto de fusin del agua y 373 el punto de ebullicin dela misma.Cada C equivale a 1 K. Simplemente, la escala est desplazada.0 K (273 C) es la temperatura ms baja posible.

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Conversin entre escalas. F 32 C T(abs) 273 = = 180 100 100

F 32 C F 32 T(abs) 273 = ; = 9 5 9 5

C = T (abs) 273

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Ejemplo: Un ingls te dice que tiene fiebre porque tiene 104F. Cuntos grados centgrados son) Cuntos kelvins?F 32 C 5(F 32) 5(104 32) = C = = 9 5 99C = 40C T (abs) = C + 273 = 40 + 273 = 313 K

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Formas de transferencia de calor.Conduccin: Se da fundamentalmente en slidos. Al calentar un extremo. Las molculas adquieren ms energa y vibran sin desplazarse, pero comunicando esta energa a las molculas vecinas.Conveccin: Se da fundamentalmente en fluidos (lquidos y gases). Las molculas calientes adquieren un mayor volumen y por tanto una menor densidad con lo que ascienden dejando hueco que ocupan las molculas de ms arriba.Radiacin: Se produce a travs de ondas electromagnticas que llegan sin necesidad de soporte material. De esta manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol.

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Formas de transferencia de calor.

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Calor y temperatura.Cuando un cuerpo recibe calor puede:Aumentar su temperatura. En este caso, el calor recibido depender de:Lo que se quiera aumentar T (T)De la masa a calentar (m)Del tipo de sustancia (ce = calor especfico)Cambiar de estado fsico. En este caso la temperatura no vara, y el calor recibido depender de:De la masa a cambiar de estado (m)Del tipo de sustancia (Lf o Lv = calor latente de fusin o vaporizacin)Ambas cosas.

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Efecto del calor sobre la temperatura.

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Cambios de estado

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Frmulas del calorSi se produce:Aumento su temperatura: Q = m ce T

Cambio de estado fsico:

QF = LF mQV = LV m

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Equilibrio trmico.Obviamente, si un cuerpo adquiere calor , es porque otro lo cede, de forma que: Qabsorbido = QcedidoSea A el cuerpo de menor temperatura (absorber calor) y el B de mayor temperatura (ceder calor). Al final, ambos adquirirn la misma temperatura de equilibrio (Teq): mA ceA (Teq T0A) = mB ceB (Teq T0B) O tambin: mA ceA (Teq T0A) = mB ceB (T0B Teq)

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Ejemplo: Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120C en un recipiente con litro de agua a 18C. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro.a) mA ceA (Teq T0A) = mB ceB (Teq T0B) J J 0,5 kg 4180 (Teq18C) = 0,2 kg 460 (120CTeq) Kkg Kkg Resolviendo la ecuacin obtenemos que la temperatura de equilibrio es: Teq= 22,3Cb) Qcedido = mA ceA (Teq T0A) = J = 0,2 kg 460 (22,3C 120C) = 8990 J Kkg El signo () indica que es cedido. 8990 J

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Ejemplo: Calcula el calor necesario para transformar1 kg de hielo a 10C en vapor de agua a 110C a presin atmosfrica.(LF = 3,34 105 J/kg; LV = 2,26 106 J/kg)El calor total ser la suma del necesario para pasar de hielo a 10C a hielo a 0C (Q1), de fundir el hielo (Q2), de pasar el agua lquida a 0C a agua lquida a 100C (Q3), de vaporizar el agua (Q4) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110C (Q5):Q1=m ce (T T0) = 1 kg (2,05 kJ/kgK)10 K = 20,5 kJQ2=m LF = 1 kg (3,34 105 J/kg) = 334 kJ Q3=m ce(T T0) = 1 kg(4,18 kJ/kgK)100 K = 418 kJQ4=m LV = 1 kg (2,26 106 J/kg) = 2260 kJQ5=m ce (T T0) = 1 kg (1,96 kJ/kgK)10 K = 19,6 kJ QTOTAL= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 20,5 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJQTOTAL = 3052,1 kJ

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DilatacinLineal: l = l0(1 + T)Superficial: S = S0(1 + T)Cbica:V = V0(1 + T) , y son los coeficientes de dilatacin, lineal, superficial y cbica respectivamente, y dependen del tipo de material. Se miden en K1.Para un mismo material = 2 ; = 3 .

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Ejemplo: Una barra de aluminio mide 45 cm a 20 C. Qu longitud en centmetros tendr si la calentamos hasta 180C?. El coeficiente de dilatacin lineal del aluminio es 2,5 105 C1. l = l0(1 + T) = 0,45 m[1 + 2,5 105 C1(180C 20C)] =l = 0,450675 m = 45,0675 cm

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Dilatacin en los gases.Para todos los gases el coeficiente de dilatacin cbica se denomina y vale 1/273 K1.Sea T0 = 0 C = 273 KV= V0[1 + (1/273 K1) (T T0)] = V0 [1 + (T /273) K1 1] V 273 K = V0 T Ley de Chales Gay-Lussac:

V V0 = T T0

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Equivalencia calor-trabajo.A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teora del calrico).Joule demostr que el calor era una forma de energa y calcul la equivalencia entre la calora (unidad de calor) y el julio (unidad de trabajo-energa).

1 J = 024 cal ; 1 cal = 418 J

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Aparato de Joule para transformar trabajo en calor y obtener el equivalente mecnico del calor

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Energa interna (U)Es la energa total de las partculas que constituyen un sistema.Es igual a la suma de todas las energas de rotacin, traslacin, vibracin y enlace entre los tomos que constituyen las molculas.Es una magnitud extensiva, es decir, depende de la masa del sistema.Es muy difcil de medir. En cambio es fcil determinar la variacin de sta (U).

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Primer principio de la TermodinmicaUn sistema pierde energa interna (U < 0) si cede calor o realiza un trabajo y gana energa interna (U > 0) si absorbe calor o el exterior ejerce un trabajo sobre l (compresin). U = Q + WNota.- CUIDADO! En muchos libros an se considera positivo el trabajo realizado por el sistema, con lo que stos an podris ver U definido como Q W.Cuidado: No debe escribirse Q

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Trabajo en sistemas gaseosos. W = F dr = p S dr = p dVEn el caso de que la presin sea constante (sistemas isobricos), la integral es inmediata: W = p V El signo menos se debe al actual criterio de signos que decide que sea negativa toda la energa que salga de un sistema. Si un sistema realiza un trabajo hacia el exterior es porque ha perdido energa.

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Tipos de procesos. Adiabticos: (Q = 0)No tiene lugar intercambio de calor con el exterior (por ejemplo, un termo) U = WIscoros: (V = constante)Tienen lugar en un recipiente cerrado.Como V = 0 W = 0 Qv = U Isobricos: (p = constante) U = Qp pV ; U2 U1 = Qp (pV2 pV1)U2 + pV2 = Qp + U1 + pV1Si llamamos H = U + pV Qp = H2 H1 = HIsotrmicos: (T = constante)

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Ejemplo: Una masa de 18 g de agua es transformada en vapor a 101300 Pa y 100C convirtindose en 30,6 litros de vapor a esta misma presin. SiLV (agua) es 2,26 106 J/kg, calcula: a) la energa suministrada en forma de calor; b) el trabajo realizado por el sistema; c) la variacin de energa interna.a) Q = m LV = 0,018 kg (2,26 106 J/kg) Q = 40,68 kJb) El volumen del agua lquida se puede despreciar frente al del gas: 1,8 102 L