CALOR 

Durante el siglo XVII  los fisicos consideraban  que el calor era un fluido invisible sin sabor, olor o color.

Lo cual era erroneo por la razon de que no podia ser creado o destruido, razon por la cual no era posible formarlo apartir de alguna cosa.

Esta desecho ya que con las aportaciones de Benjamin Thompson y Joule se demostro lo contrario. 

 

—El calor es la magnitud fisica o parametro que describe las interacciones de un sistema con otro dado que corresponde a la cantidad de energia que se transfiere de un sistema a otro. 

—El calor se trasmite de un cuerpo caliente a uno frio hasta que se encuentra un equilibrio de temperaturas.—Se mide con joules o calorias

 

M= masa

Ce= Calor especifico

CALOR ESPECIFICO 

Se define como la cantidad de calor (Q), que se debe sumistrar a la masa de un cuerpo para elevar su temperatura en un grado centigrado.

 Algunos materiales ya se sabe ese calor que esta en una tabla como lo siguientes:

 

CANTIDAD DE CALOR 

Problemas a resolver 

  

TEMA 2

 PROCESOS TERMODINÁMICOS

Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades)  propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. 

Primera ley de la termodinamica 

›La primera ley de la termodinámica establece que,  cuando se añade calor Q a un sistema mientras éste  efectúa trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W.  

›La primera ley de termodinámica es la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:

›∆U = Q-W

Siendo ∆U la energía interna del sistema

Leyes de gases

1 atm = 101325 Pa 2

1 atm = 1,01325 bar

1 atm = 760 mmHg = 760 Torr

1 atm = 10,332274527999 m.c.a. (metros de columna de agua)

1 atm = 14,69594877551 PSI (libra por pulgada cuadrada)

Proceso adiabático

›Se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema  (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. 

›Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

›Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:

›Q= ∆U +W

›Como Q =0, entonces,∆U = -W.

 Proceso isotérmico

›En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.

›De acuerdo  con la primera ley de la termodinámica tenemos:

›Q = ∆U +W.

›Como ∆U = 0, entonces, Q = W

›Estos son los procesos en los cuales antes, durante y después la temperatura es constante.

Proceso isobárico

Se efectúa a presión constante. En general, ninguna de las tres cantidades:  es cero en un proceso isobárico, pero aun así es fácil calcular W.

›Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo.

›De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

› Q = ∆U +W

›Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

›Procesos en los cuales antes, durante y después la presión es constante.

 

Proceso isométrico

›En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa que W= 0.

›De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

›Q = ∆U +W

›Como W=0, entonces Q = ∆U 

›El volumen es constante  antes, durante y después.

TRANSMISIÓN DE CALOR 

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes: Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto. Por convección en fluidos (líquidos o gases). Radiación (en gases). 

La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La transferencia de calor se produce siempre cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas.

 

  

 

 CONDUCCIÓN

Consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos. 

RADIACIÓN
Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B.

 
Para que este fenómeno se perciba es necesario un cuerpo a una temperatura bastante elevada















CONVECCIÓN

En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas.

La transmisión de calor por convección puede ser:

•Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría.

•Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.

CAMBIOS DE ESTADO DE MATERIA 

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En física y química se define cambio de estado como la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Por ejemplo, en el caso del agua, cuando hace calor, el hielo (agua en estado sólido) se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias. Los cambios que se presentan en la materia son: fusión, vaporización, cristalización, solidificación, sublimación y condensación.

Fusión:
Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.

Vaporización:
Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización o evaporación. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.

Cristalización:
La cristalización o sublimación inversa (regresiva) es el cambio de la materia del estado gaseoso al estado sólido de manera directa, es decir, sin pasar por el estado líquido.

Solidificación:
En la solidificación se produce el cambio de estado de la materia de líquido a sólido, debido a una disminución en la temperatura. Este proceso es inverso a la fusión. El mejor ejemplo de este cambio es cuando metes al congelador un vaso de agua. Al dejarlo por unas horas ahí el agua se transforma en hielo (líquido a sólido), debido a la baja temperatura.
 
Sublimación:
La sublimación o volatilización, es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Condensación:
La condensación, es el cambio de estado que se produce en una sustancia al pasar del estado gaseoso al estado líquido. La temperatura a la que ocurre esta transformación se llama punto de condensación.

EQULIBRIO TERMICO

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor , y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico .

Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecera un flujo de energía calorífica , pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor , en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura. 

 ENERGIA INTERNA 

La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular

Energía interna de un gas ideal

Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacción entre las moléculas o átomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule.

La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión

 donde n es el número de moles y Cv la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin.

Para demostrar esta expresión imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas TA y TB
Un gas ideal sufrirá la misma variación de energía interna (ΔUAB) siempre que su temperatura inicial sea TA y su temperatura final TB, según la Ley de Joule, sea cual sea el tipo de proceso realizado.

GASTO VOLUMETRICO 

El caudal volumétrico o tasa de flujo de fluidos es el volumen de fluido que pasa por una superficie dada en un tiempo determinado. Usualmente es representado con la letra Q mayúscula.

Algunos ejemplos de medidas de caudal volumétrico son: los metros cúbicos por segundo (m³/s, en unidades básicas del Sistema Internacional) y el pie cúbico por segundo(cu ft/s en el sistema inglés de medidas).

Dada un área A, sobre la cual fluye un fluido a una velocidad uniforme v con un ángulo   desde la dirección perpendicular a A, la tasa del caudal volumétrico es:

Cuando un líquido fluye a través de una tubería es muy común hablar de su gasto, que por definición es: la relación existente entre el volumen del líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir.

ž  G = gasto en  m³

ž  V= volumen del líquido que fluye en m³

ž   t= tiempo que tarda en fluir el líquido en segundos (s).

El gasto también puede calcularse si se conoce la velocidad del liquido y el área de sección transversal de la tuvería

Para conocer el volumen de un líquido que pasa del punto 1 al 2 de la tubería, basta con multiplicar entre : el área, la velocidad del líquido y el tiempo que tarda en pasar por los puntos.

Y como 

ž  Sustituyendo la ecuación 2 en la 1 nos queda:

ž  Donde G= gasto en (m³/s)

ž  A= área de sección transversal del tubo en (m²)

ž  V= velocidad del líquido (m/s).

TEOREMA DE BERNOULLI

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido en reposo moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.

3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

La siguiente ecuación conocida como “Ecuación de Bernoulli” (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.


donde:
· V= velocidad del fluido en la sección considerada.
· p = densidad del fluido.
· P= presión a lo largo de la línea de corriente.
· A = aceleración gravitatoria


· Z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.

Aplicaciones del Principio de Bernoulli 

Chimenea
Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión.

Tubería
La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión. es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.

Natación
La aplicación dentro de este deporte se ve reflejado directamente cuando las manos del nadador cortan el agua generando una menor presión y mayor propulsión.

Carburador de automóvil
En un carburador de automóvil, la presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Al disminuir la presión, la gasolina fluye, se vaporiza y se mezcla con la corriente de aire.
Flujo de fluido desde un tanque
La tasa de flujo está dada por la ecuación de Bernoulli.
Dispositivos de Venturi
En oxigeno terapia la mayor parte de sistemas de suministro de débito alto utilizan dispositivos de tipo Venturi, el cual esta basado en el principio de Bernoulli.

Aviación
Los aviones tienen el extradós (parte superior del ala o plano) más curvado que el intradós (parte inferior del ala o plano). Esto causa que la masa superior de aire, al aumentar su velocidad, disminuya su presión, creando así una succión que ayuda a sustentar la aeronave.

  

ECUACIÓN 

DE CONTINUIDAD

La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción.
Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir que:

Que es la ecuación de continuidad y donde:

· S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.

· v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería.

Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa.

TEOREMA DE TORRICELLI

0        El teorema de Torricelli o principio de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad.

La velocidad del chorro que sale por un único agujero en un recipiente es directamente proporcional a la raíz cuadrada de dos veces el valor de la aceleración de la gravedad multiplicada por la altura a la que se encuentra el nivel del fluido a partir del agujero.

Fluidez de un líquido

Fluidez es una propiedad que tienen los líquidos, esta propiedad se puede ver cuando un liquido adopta la forma del recipiente que lo contiene.

FORMULA 

A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio. "La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio":

Para el estudio de los fluidos se tienen que considerar entre otras cosas, la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del fluido. También es necesario saber que el fluido es un líquido incomprensible, que es despreciable la perdida de energía por viscosidad y que el flujo de los líquidos es en régimen estable, es decir, que su velocidad es en cierto punto, independiente del tiempo

Supongamos que existe un orificio en la pared de un tanque con fluido que tiene una presión interior. Por esta presión interior, en el orificio se producirá una descarga de agua, evidentemente, entre mayor sea el orificio, mayor será la descarga, y a mayor profundidad, mayor será su presión. La velocidad del fluido va a ser en cada posición distinta. De hecho, las líneas de corriente en el tanque hacen que en el orificio el vector velocidad tenga encada punto una componente radial hacia el eje.

TEMPERATURA 

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

 Calor y Temperatura

El calor y la temperatura no son lo mismo, pero podemos  decir que están estrictamente relacionados ya  que la temperatura puede determinarse  por la cantidad de calor  acumulado.

CALOR

Es la cantidad de energía cinética, es el movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale enfriamiento.

Temperatura

La temperatura es la medida de calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene.)

La temperatura se mide en unidades llamadas grados por medio de los termómetros.

Se define como una magnitud.

TERMOMETRO

Este instrumento está formado por un capilar muy fino en el interior de un tubo de vidrio, ambos extremos están cerrados y en uno de ellos se estrecha y el capilar obtiene un bulbo con mercurio, el cual se dilata al más mino cambio de temperatura.

Termometría

  La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor.  Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas relativas o absolutas.  Para medir la temperatura, el termómetro se basa en puntos fijos, es decir, procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de estos procesos son el proceso de ebullición y el proceso de fusión del agua.

u  Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

Escala Fahrenheit

En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto (de fusión) fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo (de ebullición) el valor 212. 

Escala Celsius

La escala de temperatura de Andres Celsius (1701-1744) era más sencilla que la de Fahrenheit. Hizo coincidir el punto 0 con el punto de fusión del agua pura y el 100 con el de ebullición, esta escala es de uso popular en los países que adhieren al Sistema Internacional de Unidades, por lo que es la más utilizada mundialmente. Inicialmente fue propuesta en Francia por Jean-Pierre Christin en el año de 1743. En 1948, la Conferencia General de Pesos y Medidas oficializó el nombre de "grado Celsius" para referirse a la unidad termométrica que corresponde a la centésima parte entre estos puntos.

Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius o centígrados, respectivamente.

Escala Kelvin o absoluta

  La escala de temperatura ideada por William Thomson Kelvin (1824-1907), sitúa el punto 0 en el llamado cero absoluto, que es la temperatura en la cual la agitación térmica es nula. El punto de fusión del agua es 273 y el de ebullición 373. Cada unidad es 1K.

Escala Rankine

Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankineen en 1859.La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a – 459, 67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. Usado comúnmente en Inglaterra y en EE.UU., como medida de temperatura termodinámica. Aunque en la comunidad científica las medidas son efectuadas en el Sistema Internacional de Unidades, por tanto la temperatura es medida en kelvins (K).