FENÓMENOS TÉRMICOS

Profesor:

Docente: Luis Dávila del Carpio

PROPÓSITOS•Definir y diferenciar los tipos de escalas

termométricas.

•Reconoce y aplicar las leyes de la calorimetría para realizar un balance de energía (ganancia y perdidas de calor).

* Analiza los fenómenos térmicos del calor sensible y latente (de fusión y vaporización).

Definición:El calor, es una forma de energía en tránsito, se propaga entre dos o más sustancias. Por ejemplo el estado del agua al estar en estado sólido, por acción del calor cambia de estado a líquido, y de igual manera por incremento de calor pasa de líquido a gaseoso.

SÓLIDO +Q LIQUIDO +Q GASEOSO

• Dos cuerpos inicialmente a diferentes temperatura (TA y TB), al entrar en contacto, el que tiene mayor temperatura (A) cede calor al otro reduciendo su temperatura. El otro (B) absorbe calor y aumenta su temperatura, hasta que después de un tiempo, finalmente alcanzan una misma temperatura de equilibrio TE.

Equilibrio térmico

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

°C K °F R

100 373 212 672

0 273 32 492

- 273 0 0- 460

Punto de ebullición del agua

Punto de congelamiento del agua

Cero absoluto

ºC K ºF RT T 273 T 32 T 4925 5 9 9

K ºCT T 273

R ºFT T 460

Temperaturas absolutas

Variación de intervalos de temperatura

1 º C 1 K 1.8 º F 1.8 R

Casi todos los materiales se expanden al aumentar su temperatura. El aumento en la temperatura hace que un cuerpo lineal, superficial y volumétrica se expanda.

TL

oL L (1 T)

Expansión térmica

L= Longitud lineal final (m, cm)L0= Longitud lineal inicial (m, cm)∝= coeficiente de expansión lineal ( K-1; °C-1)∆T= T2-T1 : Variación de temperatura (K; °C)

CC

Cantidad de calor

Experimento de Joule

La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 °C a 15.5 °C.

El calor siempre es transferencia de energía a causa de una diferencia de temperatura. No existe “la cantidad de calor de un cuerpo”.

¿Q= calor requerido para cambiar la temperatura de la masa m (kg)m= masa del material (kg)C= calor específico (J/kg.K ; cal/g.°C)ΔT= Tf-Ti Variación de temperatura (K; °C)

___

m n M

n= Número de moles (mol)= Peso molecular (kg/mol)

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Tabla Valores aproximados del calor específico y capacidad calorífica molar (a presión constante)

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CalorimetríaCalorimetría significa “medición de calor”.

Hierro caliente

Agua fría Equilibrio térmico

ganado perdidoQ Q

g g 1g 2g p p 1P 2Pm C (T T ) m C (T T )

Temperatura de Equilibrio térmico: T2g = T2p = Tequi

Cambio de faseCalor latente de vaporización. El calor latente de una sustancia, es el calor por unidad de masa que se requiere para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.

Para el agua:ʎv = 2.256x106 J/kg = 540 cal/g = 970 Btu/lb

m

Vapor

Liquido

v vQ m

Calor latente de fusión. El calor latente de fusión de una sustancia, es el calor por unidad de masa que se requiere para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida de su temperatura de fusión.

m

ʎf = 3.34x105 J/kg = 80 cal/g = 143 Btu/lbPara el agua:

f fQ m

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Temperatura vs tiempo para una muestra de agua que inicialmente está en la fase sólida (hielo)

Cambios de fase del agua. Durante estos periodos, la temperatura se mantieneconstante y ocurre un cambio de fase conforme se agrega calor: Q=mλ.

Cambios de la temperatura del agua. Durante este periodo, la temperaturaaumenta al agregarse calor: Q= mC∆T.

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1.- Determina la temperatura celcuis, cuando un termómetro Farenheit marca 20º.

2.- A qué temperatura los termómetros ºF y ºC marcan numéricamente lo mismo.

3.- Se tiene un termómetro de ºA grados, donde la ebullición del agua marca 500ºA y la fusión del agua marca 100ºA. Determina la lectura del termómetro ºA, cuando un celcius marca 20º.

4. Se tienen 200g de agua a 20 ºC, y se mezclan con 400 g de agua a 80 ºC. Cuánto calor gana la sustancia fría hasta lograr el equilibrio térmico?

5.- Un cubito de hielo de 10 g a -20ºC, cuánto calor requiere hasta lograr ser vapor a 120 ºC.

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

Un termómetro en escala arbitraria “T”, tiene como punto de fusión del hielo -40° y como punto de ebullición del agua 175°. a) Con este termómetro se lee 40°. Determina su valor en la escala centígrada ¿Cuánto equivale 320 K en grados T?

En la figura se observa dos varillas LA=80 cm y LB=60 cm con coeficientes de dilatación αA=1,5x10-5 °C-1 y αB=1x10-8 °C-1 y un resorte de constante elástica "k". Si la temperatura en las varillas se eleva en 600 °C, la fuerza que comprime al resorte es de 54 N. Determina la constante del resorte (en N/cm). El resorte está inicialmente sin deformar.

6.- Se tienen 100 g de hielo a -10 ºC y se le suministra 5,3 Kcal. Cuál es la situación final del agua ?

7.- Una varilla de cobre de 100 m de longitud se encuentra a 0ºC, cuál será su incremento en su longitud si aumenta su temperatura hasta 100 º.

8.- Determina la temperatura que debemos aumentar a las barras para lograr que éstas se junten. ( αA = 2x 10-4 ºC-1 ; αB = 4x10-3 ºC-1

10.- Un evaluador usa una cinta métrica de acero que tiene exactamente 50 m de longitud a una temperatura de 20 °C. ¿Qué longitud tiene en un día caluroso de verano en el que la temperatura es de 35 °C?

11.- Un evaluador usa la cinta metálica de acero, para medir una distancia cuando la temperatura es de 35 °C; el valor que lee es 35.794 m. Determine la distancia real. Suponga que la cinta está calibrada para usarse a 20 °C.

12.- Un frasco de vidrio con volumen de 200 cm3 se llena hasta el borde con mercurio a 20 °C. ¿Cuánto mercurio se desbordará si la temperatura del sistema se eleva a 100 °C? El coeficiente de expansión lineal del vidrio es de 0.40 x 10-5 K-1.

13.- Un cilindro de aluminio de 10 cm de longitud, con área transversal de 20 cm2, se usará como espaciador entre dos paredes de acero. A 17.2 °C, el cilindro apenas se desliza entre las paredes. Si se calienta a 22.3 °C, ¿qué esfuerzo habrá en el cilindro y qué fuerza total ejercerá éste sobre cada pared, suponiendo que las paredes son perfectamente rígidas y están separadas por una distancia constante?(Para el aluminio, Y = 7.0 x 1010 Pa y α = 2.4 x 10-5 K-1)

14.- A qué temperatura el termómetro ºF marca el doble del ºC, y a qué temperatura marca el triple de un K.

15.- Se tiene 400 g de agua a 20 ºC y se mezcla con 600 g de agua a 80 ºC. Cuánto calor gana el agua fría hasta lograr el equilibrio térmico?

16.- En recipiente de 1000 cm3 se llena mercurio al ras, cuánto mercurio se derrama si la temperatura se incrementa al sistema en 100 ºC. ( Ɵrecipiente = 1,2 x10-4 ºC-1) (ƟHg= 1,8 x10-4 ºC-1.

MUCHAS GRACIAS

• Profesor: Luis Dávila del Carpio