Calor, temperatura y dilatación

Calor y dilatación

Calor:

-          Cantidad de temperatura que se transmite de un cuerpo a otro

-          Se mide en joule, pero también se puede medir en calorías (cal).

-          Una caloría, representa la cantidad de calor necesario que necesita 1g de agua para incrementar su temperatura en 1°C.

-          J = 0,24 cal v  1 cal = 4,2 J

Dilatación:

-          Variar la temperatura de un cuerpo solido es lo mismo que aumentar la energía de sus partículas, produciendo variaciones de tamaño. La dilatación puede afectar a su longitud inicial,  su superficie inicial, o a su volumen inicial. Estas magnitudes se alteran con las variaciones de temperatura.

L = Lo(1+a. AT)      a = coeficiente de dilatación S = So(1+B.AT)       B = 2a V = Vo(1+y.AT)      Y = 3a

Ejercicios:

¿Qué cantidad de calor necesita absorber un trozo de cobre cuya masa es 25g si se encuentra a una temperatura de 8ºC y se desea que alcance una temperatura final de 20ºC?
Datos:
Q = x
m = 25g
ce = 0,093cal 
ºC g
tº inicial = 8ºC
tº final = 20ºC =>tº = 20ºC - 8ºC = 12ºC
Aplicando la fórmula: Q = c => tº m
Reemplazando: Q = 25g · 12ºC · 0,093cal 
ºC g
Q = 27,9 calorías

 

Un alambre de acero mide 500 cm a 10ºC ¿A qué temperatura (tº) deberá calentarse para que mida 501.5 cm? (coef de dilatación = 0.000012)

501,5 = 500[1 + 0,000012(Tf - 10)]....por lo tanto despejando Tf quedaria:

(501,5/500) = 1 + 0,000012Tf - 0,000012·10
1,003 = 1 + 0,000012Tf - 0,00012
1,003 - 1 + 0,00012 = 0,000012Tf
0,00312 = 0,000012Tf

por lo tanto. Tf =( 0,00312/0,000012)
Tf = 260 ºC

Temperatura

Definición:

-          Es una magnitud física que nos indica el calor de la energía cinética media interna de un cuerpo (grado de vibración de las moléculas de un cuerpo).

-          Existen tres tipos de escala: Celsius, Fahrenheit y kelvin.

Conversiones:

c/100=k-273/100=F-32/180

Ejercicios: 

Transferencia de calor

Tipos:

-          Radiación: Transferencias de rayos y ondas, principalmente el sol que logra viajar en el vacío del espacio hacia la Tierra. Cuando las ondas son más cortas, transfieren más energía; si son largas, menos energía. Desde un cuerpo hacia otro cuerpo. Ejemplo: Microondas, fogata.

-          Convección: Es la que se origina por la diferencia de densidades de los fluidos. Ejemplo: El aire acondicionado, el aire caliente sube porque es menos denso que el aire frío formando un ciclo.

-          Conducción: Es el que se origina por la excitación de las moléculas de un sólido. Ejemplo: El metal es calentado por una llama, esto originará que todas se calienten y mueran, sin embargo lo que esté más cerca de la llama será más caliente.

Capacidad calorífica:

-          Cantidad de calor que debe entregarse o sustraerse para variar su temperatura con una unidad

  C=Q/tiempo (variacion)

Calor específico:

-          Cantidad de calor que se debe entregar a cada unidad de masa de una sustancia, tal que, su temperatura varía una unidad.

 

           Ce=c/m => Q/t(variacion) => Q= Ce x m x t

Teorema fundamental de la calorimetría:

-          Cuando mezclamos dos o más cuerpos a diferentes temperaturas, ocurre que el calor que ganan los cuerpos fríos lo pierden los cuerpos calientes.

                               Q ganado = Q perdido      Q = calor emitido

Ejercicios:

Un bloque de Hormigón de masa M=2 Kg a temperatura inicial T=40ºC y calor específico Ce=0.2 Kcal/Kg.ºC se introduce en un litro de Agua de masa M=1 Kg a temperatura T=20ºC y calor específico Ce=1.0 Kcal/Kg.ºC. Calcula la temperatura final Tf de equilibrio.

Variación de la cantidad de calor de un cuerpo D Q:

D Q [Kcal]= M [Kg] x Ce [Kcal/Kg.ºC] x (Tfinal – Tinicial) [ºC]

Hormigón: D Qh = 2 x 0.2 x (Tf – 40º) = 0.4 (Tf – 40º) [Kcal]

Agua: D Qa = 1 x 1.0 x (Tf – 20º) = 1.0 (Tf – 20º) [Kcal]

La temperatura final Tf tendrá un valor intermedio ente 20º y 40º. El calor que pierde el hormigón (observar su valor negativo) será igual al ganado por el agua (valor positivo). Si sumamos ambas ecuaciones: D Qh + D Qa = 0

Hormigón+ agua: 0 = 0.4(Tf – 40) + (Tf-20) = 0.4Tf – 16 + Tf – 20 = 1.4Tf – 36

Despejando la Temperatura final Tf: 1.4 Tf = 36;

Tf = 36 / 1.4 = 25,71ºC

Una vez hallada la temperatura final de equilibrio Tf = 25.71ºC, es fácil comprobar la cantidad de calor Q perdida (-) por el hormigón y ganada (+) por el agua:

Hormigón: D Qh = 0.4 (25.71 – 40º) = -5.71 [Kcal]

Agua: D Qa = 1.0 (25.71 – 20º) = +5.71 [Kcal]