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Capitulo 17. Temperatura y calor

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si aùadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas mås altas tienen lugar cuando las molÊculas se estån moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía. El sistema estå en una condición de equilibrio, en la cual la interacción entre el termómetro y De °�  a � De �  a °� De °�  a � De � a °� De � a � De � a �

đ?&#x;— ∗ °đ?‘Ş đ?&#x;“ đ??š − 32 °đ??ś = 9 5 đ??ž = °đ??ś + 273 °đ??ś = đ??ž − 273 đ??š + 459,67 đ??ž= 9 5 9 đ??š = ∗ đ??ž − 459,67 5 đ?‘­ = đ?&#x;‘đ?&#x;? +


el cuerpo ya no causa un cambio en el sistema. Ese estado se llama equilibrio tĂŠrmico. Un aislante ideal es un material que no permite la interacciĂłn entre dos sistemas La escala kelvin se denomina la escala de temperatura absoluta, y su cero se llama cero absoluto. En el cero absoluto las molĂŠculas tienen su energĂ­a total mĂ­nima posible, no es correcto decir que los movimientos de las molĂŠculas cesan por completo. ExpansiĂłn tĂŠrmica Casi todos los materiales se expanden al aumentar su temperatura. La MayorĂ­a de los metales se expanden cuando se calientan porque aumentan la energĂ­a cinĂŠtica y causa colisiones aumentando la distancia entra las partĂ­culas , y cuando el material se enfrĂ­a se contrae

ExpansiĂłn lineal El cambio en el largo es proporcional al largo original y el cambio de temperatura đ??ż = đ??ż! + ∆đ??ż = đ??ż! +âˆ? đ??ż! ∆đ?‘‡ = đ??ż! (1+âˆ? ∆đ?‘‡)


ExpansiĂłn tĂŠrmica del agua

El agua, en el intervalo de temperaturas de 0 °C a 4 °C, se contrae al aumentar la temperatura. En este intervalo, su coeficiente de expansión es negativo. Por arriba de 4 °C, el agua se expande al calentarse. Por lo tanto, el agua tiene su mayor densidad a 4 °C. Esfuerzo tÊrmico Se denomina esfuerzo o tensión a la fuerza por unidad de årea a la que se somete un sólido cuando se somete a una tracción o a una compresión. Un esfuerzo es tÊrmico cuando varía la temperatura del material. Cantidad de calor Cuando el calor estå asociado a un cambio de temperatura infinitesimal �� la cantidad de calor se denota como ��. La cantidad de calor � necesaria para

elevar

la

temperatura de una masa đ?‘š de cierto material de đ?‘‡! a đ?‘‡! es proporcional al cambio de temperatura ∆đ?‘‡ = đ?‘‡! − đ?‘‡! y a la masa đ?‘š del material. Donde đ?‘„ es igual la cantidad de calor esta definido por:


đ?‘„ = đ?‘šđ?‘?∆đ?‘‡ C es una cantidad, diferente para cada material,

llamada

calor

especifico

del

material. đ?‘‘đ?‘„ = đ?‘šđ?‘?  đ?‘‘đ?‘‡ đ?‘?=

1 đ?‘š

�� ��

Cam bios de fase Una transiciĂłn de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presiĂłn dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompaĂąada por absorciĂłn o emisiĂłn de calor, un cambio de volumen y densidad. Se usa el signo mĂĄs (entra calor) cuando el material se funde, y el signo menos (sale calor) cuando se congela. El calor de fusiĂłn es diferente para diferentes materiales, y tambiĂŠn varĂ­a un poco con la presiĂłn.


flujo de calor La temperatura depende del estado fĂ­sico de un material y es una descripciĂłn cuantitativa de su calidez o frialdad. Por otro lado el termino de “calorâ€? en fĂ­sica se refiere a la transferencia de energĂ­a de un cuerpo o de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.

Conducion Hay conducciĂłn dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos que estĂĄn en contacto. Solo hay transferencia de

calor

entre

regiones

que

estĂĄn

a

diferente

temperatura y la direcciĂłn de flujo siempre es de la temperatura mĂĄs alta a la mĂĄs baja. Suponiendo que se transfiera una cantidad de calor dQ a una varilla delgada, la tasa se flujo de calor es đ?‘‘đ?‘„/đ?‘‘đ?‘Ą. Llamamos a esto corriente de calor, denotada por H. H= Â đ?‘‘đ?‘„/đ?‘‘đ?‘Ą. Se


observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al ĂĄrea transversal de la varilla y a la diferencia de temperaturas, e inversamente proporcional a la longitud de la varilla. Se introduce una constante de proporcionalidad (k) llamada conductividad tĂŠrmica del material.

La cantidad (đ?‘‡â„Ž − đ?‘‡đ?‘?)/đ??ż es la diferencia de temperatura por unidad de longitud, llamado gradiente de temperatura. El valor de

!"

Â

đ??ť=

conductores de calor; si k es pequeĂąa son conductores o

Corriente  de  calor  en   conducción.    

aislante deficientes. La ecuaciĂłn de corriente de calor sirve para cualquier cuerpo homogĂŠneo con ĂĄrea transversal A uniforme y perpendicular a la direcciĂłn de flujo; L es la longitud de

!"

=

!" !!!!"

k depende del material que se utilice. Si k es grande son buenos

!

Â

trayectoria de flujo de calor. Las unidades son de energĂ­a/tiempo es decir potencia; en el SI es (1 W=1J/s).

Si la temperatura varia de manera no uniforme a lo largo de la varilla conductora, retomando el ejemplo que hemos venido trabajando, se introduce una coordenada x a lo largo y generalizamos el gradiente de temperatura como ��/��.

đ??ť=

!" !"

= −đ??žđ??´

!" !"

El

signo negativo indica que el calor siempre fluye en la direcciĂłn de la temperatura decreciente. En el campo del aislamiento tĂŠrmico de edificios, los ingenieros usan el concepto de resistencia tĂŠrmica denotada por R. La resistencia tĂŠrmica de una placa de

đ??ť=

đ??´ đ?‘‡â„Ž − đ?‘‡đ?‘?  đ??ż

material con ĂĄrea A se define de modo que la corriente de calor H que atraviesa la placa es:

R=L/k. Â

Conveccion La convecciĂłn depende del movimiento de una masa de una regiĂłn del espacio a otra. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convecciĂłn forzada; si se debe a diferencias de densidad causadas por expansiĂłn tĂŠrmica, como el ascenso del aire caliente se llama convecciĂłn natural o libre. La transferencia de calor convectiva


es un proceso muy complejo, no se puede cubrir con una ecuación simple. Veamos hechos experimentales: •

La corriente de calor causada por convecciĂłn es directamente proporcional al ĂĄrea superficial. Esto explica las ĂĄreas superficiales grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento.

•

La viscosidad de los fluidos frena a la convecciĂłn natural cerca de una superficie estacionaria

formando

una

pelĂ­cula

superficial. La convección forzada reduce el espesor de esta película, aumentando la tasa de transferencia de calor. Esto explica el factor congelación; nos enfriamos mås råpido en un viento frio que en un aire tranquilo a la misma temperatura. •

La corriente de calor causada por convecciĂłn es aproximadamente proporcional a la potencia 5/4 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo.

RadiaciĂłn La radiaciĂłn es transferencia de calor por radiaciĂłn electromagnĂŠtica, sin necesidad de que haya materia entre los cuerpos. Todo cuerpo, aun a temperaturas ordinarias, emite energĂ­a en forma de radiaciĂłn electromagnĂŠtica. A medida que la temperatura va variando la energĂ­a se transforma de ondas infrarrojo hasta convertirse en objeto luminoso. La tasa de radiaciĂłn de energĂ­a de una superficie es proporcional a su ĂĄrea superficial y aumenta rĂĄpidamente con la temperatura. La tasa tambiĂŠn depende de la superficie; đ??ť = đ??´đ?‘’đ?œŽđ?‘‡ ! (Corriente de calor por radiaciĂłn) donde đ?œŽ es la constante fĂ­sica fundamental llamada constante de Stefan-Boltzmann. đ?œŽ=5.670400 (40)*108 W/m2*k4 Si bien un cuerpo a temperatura T esta radiando, si entorno a temperatura tambiĂŠn lo hace y el cuerpo absorbe parte de esta radiaciĂłn. La tasa neta de radiaciĂłn de un cuerpo a temperatura T con un entorno a temperatura TS es: đ??ť = đ??´đ?‘’đ?œŽđ?‘‡ ! − đ??´đ?‘’đ?œŽđ?‘‡!! = đ??´đ?‘’đ?œŽ(đ?‘‡ !  − đ?‘‡!! ). En esta ecuaciĂłn un valor positivo H implica salida neta del calor del cuerpo.


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