Termodinámica I

7.1.- Características de los fluidos,

presión, unidades de presión.

Características de los fluidos, presión,

unidades de presión.

1. Viscosidad: es la medida de la

resistencia interna de un fluido a

desplazarse o moverse.

2. Tensión superficial: la resistencia de los

líquidos a los sólidos que entran en

contacto con ellos, comportándose como

una membrana elástica

3. Cohesión: es la fuerza de atracción que

mantiene unidas a las moléculas de una

misma sustancia.

4. Adhesión o Adherencia: es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes que se ponen en contacto; generalmente un líquido con un sólido

5. Capilaridad: consiste en el ascenso o

descenso de un líquido dentro de un

tubo de diámetro pequeño llamado

capilar.

6. Densidad: La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en la unidad de volumen.

7. Peso Específico: El peso específico de una sustancia se define como el peso de la sustancia por unidad de volumen

8. Presión: se define como la fuerza por cada unidad de área, sobre la cual actúa.

9. Osmosis: fenómeno físico relacionado

con el movimiento de un disolvente

líquido atraves de una membrana

semipermeable

10. Difusión: es el esparcimiento de un

líquido en otro (difundir)

Presión

Magnitud que relaciona la fuerza con la

superficie sobre la que actúa

P = presión (Pa) F = Fuerza(N) A = área o superficie (m)

A

P

F

Ejemplo Sobre un líquido encerrado en un recipiente se aplica una fuerza de 100 N mediante un pistón que tiene un área de 0.01 m2. ¿Cuál es el valor de la presión?

Datos:

F = 100 N A = 0.01 m2 P = ?

Fórmula:

Sustitución y resultado:

P = 10 000 N/m2 (Pa)

Unidades de presión.

1 atm = 760 mHg

1 atm = 101.325 Pa =1.03x105 Pa

1 mmbar = 100 Pa

1 Kgf = 9.8 N

1 Kgf = 2.2 bf

1 pulg = 2.54 cm = 0.0254m

7.2.- Presión Hidrostatica, Presión

Atmosférica, Presión manométrica, Presión

Absoluta.

Presión Hidrostática

Es la que ejerce un líquido en reposo a una determinada profundidad, contenido en un recipiente origina una presión sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo

contiene, sin tener en cuenta las presiones que se ejercen sobre su superficie, como la atmosférica o la que se ejercería con un pistón colocado sobre la superficie del líquido. Esta presión recibe el nombre de presión hidrostática, la cual aumenta conforme mayor es la profundidad.

Ph = (Pe) (h) = ρ · g · h

En donde:

Ph = la presión hidrostática, en N/m2 ;

Pe = el peso específico del líquido, en N/m3;

h = la distancia desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado (altura de la columna de líquido), dada en metros.

ρ = densidad del líquido.

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).

Ejemplo

Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 5 m de profundidad, si la densidad del agua es de 1000 kg/m3.

Datos:

Ph = ? h = 5 m ρagua = 1000 kg/m3

Fórmula:

Ph = ρ· g · h

Ph = (1000 kg/m3) (9.81 m/s2) (5 m)

Ph = 49050 N/m2

Presión Atmosférica

La presión atmosférica es la presión que ejerce el peso del aire de la atmósfera

terrestre sobre una determinada superficie.

La presión atmosférica se mide con un barómetro

Cuando se mide la presión atmosférica, se está midiendo la presión que ejerce una columna de aire sobre 1m2 de área en la superficie de la tierra es:

P = 101.325 Pa

Se aproxima a:

P = 1,013 x 105 Pa

Nota: a mayor altura menor presión y a

menor altura mayor presión.

Presión manométrica

Presión manométrica (relativa): Es la relación

aritmética entre la presión absoluta y la

presión atmosférica. ¡¡Los valores de presión

absoluta y de presión atmosférica jamás son

negativos!! Presión de vacío: Es una presión

manométrica negat iva.

[Pman < 0 unidades de presión]

Toma como base la presión atmosférica

local.

Mide las presiones sobre la atmosfera

(superiores a la atmosfera)

Pmano = Pabs - Patm

Presión Absoluta.

Es la presión del sistema. Esta presión se

mide a partir de la presión cero de un vacío

“absoluto” relativo.

Pabs = Pmano + Patm

Ejercicio

El tubo de un barómetro de mercurio tiene

una sección cuya superficie es de 10 cm2.

¿Qué altura alcanzará el nivel del mercurio

en dicho tubo cuando el barómetro este

situado en un lugar en el que la presión

atmosférica es de 0.95 atm?

ρHg = 13600 kg / m3

1 atm = 1.01 x 105 Pa

Patm = 0.95 atm

P atmosférica

P manométrica P absoluta

P vacío

P barométrica 760 mm Hg

P = 0.95 at h

A = 10 cm2

Si la presión atmosférica es de 0.95 atm

entonces convirtiendo a pascales

Patm = 0.95 atm(1.01 x 105 Pa /1 atm )

Patm = 95950 Pa

De la formula

PHidro = ρ g h

Despejamos h

h = 0.706 m

h = 70.6 cm

7.3.- Principio de Pascal y Principio de

Arquímedes.

Principio de Pascal

La presión ejercida sobre un líquido que se

encuentra encerrado en un recipiente, se

transmite por igual a todos los puntos del

líquido y a las paredes del recipiente.

P1 = P2

Aplicaciones

Elevados de carga

Prensa hidráulica

Gato hidráulica

Frenos hidráulicas

Dirección hidráulica

Ejemplo

Una prensa hidráulica existe una presión de

25 Pa en un área de 3 m2 en el émbolo de

mayor tamaño, ¿Cuál será la fuerza que

existe en el otro embolo, si su tamaño es tres

veces menor?

Datos P = 2.5 Pa A2 = 3 m2 F1 = ? A1 = 1 m2

Formula

Despejando F para obtener el valor de F2

F2 = PA sustituir valores F2 = (2.5 Pa)( 3 m2) F2 = 7.5 N

Posteriormente de la formula

Despejar F1

Sustituir valores

F1 = 2.5 N

𝑃 𝑃

2.- Los émbolos de una prensa hidráulica

tiene sección circular y sus diámetros son 8 y

40 cm respectivamente.

a) ¿Cuál es la fuerza que se produce en el

émbolo mayor cuando en el pequeño se

aplica una fuerza de 50N?

b) ¿qué fuerza habría que aplicar en el

émbolo menor para poder prensar una

partida de aceitunas con una fuerza neta de

1000N?

Datos r1 = 4 cm r2 = 20 cm F1 = ? F2 = ?

Calculando las áreas A1 y A2 De la fórmula del área de la circunferencia tenemos: A =π r2 A1 = π(4 cm)2

A1 = 16 π cm2

A2 = π(20 cm)2 A2 = 400 π cm2

a ) Si F1 = 50 N de la fórmula

Despejar F2

Sustituir valores

F2 = 12.50 N

b) Si F2 = 1000 N de la fórmula

Despejar F1

Sustituir valores

F1 = 40 N

Principio de Arquímedes.

Todo cuerpo sumergido total o parcialmente

en un líquido, experimenta una fuerza de

empuje hacia arriba, que es igual al peso del

líquido desplazado.

E = Fuerza de empuje

E = W liquido desalojado

Si W = mg remplazamos

E = mg

Si

despejando m tenemos

m = remplazando

E = ρ liquido V sumergido o desalojado g (N)

𝒓𝟏 𝟒 𝒄𝒎 𝒓𝟐 𝟐𝟎 𝒄𝒎

d = 8 cm

d = 40 cm cm

Ejemplo

1) Una bola de acero de 5cm de radio se

sumerge en agua. Calcula el empuje que

sufre y la fuerza resultante (densidad del

plomo = 7,9 g/cm3).

Datos r = 5 cm = 0.05m

ρPb = 7.9 g / cm3

ρAgua = 1 g / cm3 g = 10 m/s2

De la fórmula del volumen de una esfera tenemos

sustituimos

sustituimos

V = 5.236 x 10--4 m3 Convirtiendo m3 a lit 1 m3 __________ 1000 l

5.236 x 10-4 m3_____ x V = 0.5236 litros

De la formula

E = ρ liquido V sumergido o desalojado g (N)

Calculamos el peso del agua desalojada (es

decir, el empuje)

Eempuje = (1 g / cm3) (0.5236 lit)(10 m/s2)

Ee = 5.236 N

Vamos con la fuerza resultante. Aquí actúan

dos fuerzas: el empuje del agua hacia arriba

y el peso de la bola hacia abajo. Nos queda

calcular este último:

Densidad del plomo = 7.9 g/cm3 = 7900

Kg/m3

Ebola = ρ plomo V de la bola g (N)

Eb = (7.9 Kg/m3)( 0.5236 lit)( 10 m/s2)

Eb = 41.3644 N

La resultante es

F = Eb – Ed

F = = 41.3644 N – 5.236 N

F = 36.12 N

Como Eb > Ed, la bola se hunde (lógico,

teniendo en cuenta que es de plomo).

7.4.- Tensión superficial, capilaridad,

difusión y osmosis-

Tensión superficial

Es la resistencia de los líquidos a los sólidos

que están en contacto con ellos,

comportándose como una membrana

elástica

r = 5cm

E = ?

w

En el interior del líquido cada molécula se encuentra rodeada por otras moléculas en todas las direcciones de forma que las fuerzas atractivas entre ellas se compensan

No dependen del espesor o extensión

Varía con ta temperatura

En cambio en la superficie, al no haber más

moléculas fuera, éstas se atraen con más

fuerza, formando una fina barrera.

Capilaridad

Es la propiedad de que los líquidos asciendan a través de un tubo capilar capilares de los sólidos venciendo la gravedad. Depende de la cohesión de las moléculas

2 𝜹cosα = ρ r h g

Difusión

Es el esparcimiento de un líquido en otro

Las partículas en un vaso de agua se mueven

al azar alrededor, las partículas

eventualmente se convertirán distribuidas al

azar y de manera uniforme. Es un proceso,

que implica el movimiento de una sustancia

a partir de una zona de su mayor

concentración

Flujo difuso ( )

Osmosis

Fenómeno físico relacionado con el

movimiento de un disolvente líquido

atravesó de una membrana semipermeable

La osmosis se detiene antes de que se iguales

las concentraciones-

h

T1 T2

π = i (C1 – C2)RT π = ρ gh

π = presión osmótica (atm)

i= coeficiente de disociación (vale 102)

T 0 temperatura °K

R = constante de gases = 0.082 (lt atm)

h = altura m

ρ = densidad del liquido

g = gravedad

7.5.- Flujo permanente y turbulento,

gasto volumétrico y gasto másico

Flujo permanente y turbulento,

Antes de definir Flujo permanente y

turbulento es necesario definir fluido y flujo

Fluido: es un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restituidas tendentes a recuperar la forma "original“.

Flujo: es el estudio del movimiento de un fluido, involucrando las leyes del movimiento de la física, las propiedades del fluido y características del medio ambiente y conducto por el cual fluyen.

Clasificación de flujos

El flujo de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, atendiendo diversas características y criterios de velocidad, espacio y tiempo.

De acuerdo a la velocidad del flujo: • Flujo turbulento: en este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en

trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido.

Por variación de velocidad con respecto al tiempo:

Flujo permanente: Se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios.

Gasto volumétrico y gasto másico

Bien, el gasto es un concepto en física que advierte que cuando un líquido fluye a través de cierta tubería hay una relación entre el volumen del líquido y el tiempo que éste tarda en fluir.

G = gasto volumétrico m3 /s V = volumen t = tiempo

Bien, pero no es la única fórmula para poder obtener el gasto, existe otra fórmula que relaciona la magnitud de la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería.

Para conocer por ejemplo el volumen de líquido que pasa de la primera sección de área a la segunda sección, basta con multiplicar el área, la magnitud de la velocidad del líquido y el tiempo que tarda en pasar por los puntos. Muy fácil ¿no?

V = A v t

De ésta misma fórmula podemos obtener la segunda fórmula de la que hemos hablado.

Dónde

G = gasto en

A = área de la sección transversal de la tubería, medida en metros cuadrados.

v = magnitud de la velocidad del líquido en

m/s

Ejemplo

1.- Carlos llena u tanque de agua con una

manguera en 4 minutos con 26 segundos.

Dicho tanque posee un almacenamiento de

14 galones. Calcular el gasto volumétrico del

agua que pasa por dicha manguera.

Datos

G = ? V = 14 gl t = 4 mint con 26 s Conversión de unidades

4 mit (

) = 240 s cancelando los mit

Sumando 240 s con 26 s tenemos

t = 266 s

Ahora si

I gl = 0.00378541 m3

14 gl (

) = 0.05299574 m3

Cancelando gl tenemos:

V = 0.05299574 m3

Entonces de la fórmula

Sustituimos

G = 1.992 x 10 -4 m3 /s

2.- calcular el tiempo que tardará en llenarse

un tanque cuya capacidad es de 8 m3 al

suministrarle un gasto de 60 l/s

Datos

G = 60 l/s V = 8 m3 t = ? No podemos manejar el gasto con unidades de (litro/segundo), por lo que debemos de convertir esos litros a metros cúbicos, el factor de conversión es 1 metro cúbico = 1,000 litros.

(

)

Una vez teniendo el Gasto en las unidades del SI (Sistema Internacional), ahora es momento de ver la fórmula a utilizar:

Despejando al tiempo

Sustituyendo

= 133.33 s

Flujo másico:

La medición del flujo consiste en poder

determinar la cantidad de material que pasa

por un tubo en una unidad de tiempo.

Cantidad de masa que circula en una sección

transversal de un tubo por unidad de tiempo.

F = flujo másico kg / s

m = masa Kg

t = tiempo s

Bien, pero así como el gasto, existe otra fórmula derivada de la densidad que nos permite obtener el flujo. Como sabemos, la densidad de un cuerpo es la relación entra la masa y volumen, entonces obtenemos:

Despejando a la “masa”

Entonces de la ecuación que tenemos de flujo, reemplazamos a la “masa” por la nueva forma de la densidad.

Pero la podemos dejar en términos del Gasto, ya que el gasto es:

Entonces:

F = G ρ

Dónde el Gasto por la densidad nos da el flujo másico.

Tubo

Fujo

Área transversal A 𝝅𝒓𝟐

Ejemplo

Por una tubería fluyen 2300 litros de agua en

un minuto, calcular:

a) El gasto b) El flujo másico Dato:

Ρ del agua = 1000 kg/m3 V = 2300 litros t = 1 minuto = 60 segundos G = ? F = ? Necesitamos convertir los 2300 litros a metros cúbicos, para ello recurrimos a nuestro factor de conversión.

1 metro cúbico = 1,000 litros.

(

)

Ahora si podemos calcular el gasto:

G = 0.0383

Teniendo el gasto, pasemos a calcular el flujo másico, que es el producto del gasto por la densidad del líquido.

F = G ρ

F = (0.0383

)( 1,000

)

F = 38.3

Lo que equivale a tener 38.3 kilogramos de

agua por cada segundo.

7.6.- Ecuación de continuidad, principio

de Bernoulli, Principio de Torricelli.

Ecuación de continuidad

Los líquidos son prácticamente

incompresibles, cualesquiera sean las

presiones a que sean sometidos su volumen

no varía o varía muy poco; aun así nosotros

vamos a operar con un modelo de líquido

que consideraremos totalmente

incompresible esto da lugar a una relación

cuantitativa que es la ecuación de

continuidad

La ecuación de continuidad: nos dice que la

cantidad de flujo que pasa por una zona del

tubo puede definirse por el producto del

área de la sección del tubo por la velocidad

del fluido en esa zona y la densidad.

V = L1 A1 = L2 A2 = v1 ∆t A1= v2 ∆t A2 De donde, simplificando queda

v1 A1= v2 A

Principio de Bernoulli

𝑨𝟏

𝑳𝟏 = 𝒗𝟏 𝒕 𝑳𝟐 = 𝒗𝟐 𝒕

𝑨𝟐

En un fluido que se desplaza en régimen

estacionario, la diferencia de presión

hidrodinámica entre dos puntos de una línea

de corriente es igual al peso de una columna

de dicho fluido, cuya base sea la unidad de

superficie y cuya altura la distancia vertical

que separa ambos puntos

El teorema de Torricelli Mediante la aplicación del teorema de Bernoulli calcularemos la velocidad de salida del líquido de un recipiente. Consideremos un depósito de dimensiones mucho mayores que la del diámetro del orificio de salida del líquido como el que se indica en la figura. Vamos a plantear la ecuación de Bernoulli en dos puntos extremos del sistema, el punto A en el borde superior del líquido y el punto B en el orificio de salida del recipiente. La ecuación de Bernoulli para este caso es:

Los valores correspondientes al punto B son pB, que, igual que en el caso anterior es la presión atmosférica, la altura yB que es dato del problema y la velocidad vB que es nuestra incógnita. Finalmente reemplazando y resolviendo queda:

Entonces

√ Este resultado que se puede deducir de la ecuación de Bernoulli, se conoce como el teorema de Torricelli. Obsérvese que la expresión matemática es análoga a la de un sólido en caída libre. Esto es así porque en el desarrollo del teorema de Bernoulli se recurrió al teorema de conservación de la energía mecánica

7.7.- Medidores de fluidos, Tubo de

Pitot, Tubo de Venturi.

Medidores de fluidos

También llamados Caudalímetros, son

dispositivos utilizados para la medición de los

A

B

𝑌𝐴

𝑌𝐵

caudales (Q) o gastos volumétricos de

un fluido, o para la medición del gasto

másico.

Tubo de Pitot

Es un instrumento destinado a medir la velocidad de los gases que circulan por una tubería. Consiste en un tubo manométrico que se conecta, como indica la figura, a la tubería por la que circula el gas. La presión en la rama izquierda del manómetro, cuya abertura es paralela a la dirección del movimiento del gas, es igual a la presión de la corriente gaseosa. La presión en la rama derecha, cuya abertura es perpendicular a la corriente, puede calcularse aplicando el teorema de Bernoulli a los puntos a y b.

Hay que tener en cuenta que para este problema de circulación de gas la densidad (d) es la del gas por otra parte, los puntos a y b se encuentran a la misma altura ya = yb los términos que los contienen son iguales y se pueden simplificar. La velocidad va es la velocidad v de circulación del gas que debemos medir, y como el ingreso al tubo manométrico en el punto b está limitado por el líquido

manométrico, la velocidad vb es cero, reemplazando queda;

Si d0 es la densidad del líquido del manómetro, y h es la diferencia de alturas del líquido entre sus ramas, se tiene:

Reemplazando en la ecuación anterior, resulta:

Tubo de Venturi.

Consiste en un dispositivo que permite medir el caudal y, como derivación, la velocidad, de un líquido que fluye en una tubería. El mecanismo consiste en un estrechamiento de la tubería por donde circula el líquido diseñado de forma que la disminución de la sección sea gradual para asegurar el mantenimiento del régimen laminar y se evite que el sistema entre en régimen turbulento y en consecuencia se pierda energía. Se incorporan dos tubos laterales para medir la presión del fluido en cada una de las secciones. La aplicación del teorema de Bernoulli, a un tubo de flujo que pase por el eje de la sección A1 y de la sección A2, da:

Remplazar los términos de la ecuación por los valores que disponemos. Como en nuestro caso la tubería tiene un eje horizontal los valores de y1 y y2 son iguales y se pueden simplificar. Las presiones p1 y p2 resultan; p1 = p0 + d g h1 p2 = p0 + d g h2 Recordando, además, que el caudal es: Q = A1 v1 = A2 v2, Trabajando algebraicamente sobre la ecuación de Bernoulli; si puede medirse la diferencia de alturas h1 – h2, y se conocen las áreas A1 A2, es posible calcular el caudal; y como consecuencia, también v1 y v2

Termodinámica II

7.8.- Calor y Temperatura, Escalas

termométricas, conversión entre escalas

termométricas

Calor y Temperatura

Diferencia entre calor y temperatura: El calor

es la energía que pasa de un cuerpo a otro,

mientras que la temperatura es la medida de

la energía cinética de cada molécula.

Escalas termométricas

Temperatura absoluta: Es la medida de la

energía cinética de cada molécula medida en

grados Kelvin

Celsius: Es la medida en grados de

temperatura que toma como base el punto

de fusión (0°C) y el punto de ebullición

(100C°) del agua a una atmosfera.

Fahrenheit: Es la medida en grados de

temperatura que propone (32°F) para el

punto de fusión (212°F) al ebullición del agua

a una atmosfera

Kelvin: Toma como base la temperatura más

baja que puede obtenerse (cero absoluto) y

corresponde a (- 273C ° = 0 °K) y su escala es

la Celsius

Rankine: Toma como base la temperatura

más baja que puede obtenerse en un cuerpo

(cero absoluto) pero en este caso la escala

será la misma que la de los grados

Fahrenheit y corresponde a – 460 = 0°R

Conversión entre escalas termométricas

Conversión °F a °C

Conversión °C a °F

Conversión °K a °C

Conversión °C a °K

Conversión °K a °F Conversión °F a °K

Ejemplo

1.- Convertir 100°F a grados centígrados:

De la formula

Sustituimos valores

2.- Convertir 100°C a grados Fahrenheit

Sustituimos valores

3.- Convertir -90°C a Kelvin

Sustituimos valores

183,2 K

4.- Convertir 50° Kelvin a grados Centígrados

-223,9 °C

5.- Convertir 3000°F a Kelvin

6.- Convertir 200° Kelvin a grados Fahrenheit

-99.8°F

7.9.- Concepto de calor y sus unidades,

calor especifico, calor latente, caloría,

formas de transmisión del calor

Concepto de calor y sus unidades

Calor: Es la energía que pasa de un cuerpo a

otro cuando se tiene diferente

temperatura. El calor es causa y la

temperatura es efecto. Sus unidades son:

Caloría: Cantidad de calor necesario para

elevar la temperatura 1°C de un gramo de

agua.

Kilocaloría: Calor necesario para elevar la

temperatura 1°C de unkilo gramo de agua.

B.T.U.: Cantidad de calor para elevar la

temperatura 1°F de una libra de agua.

Joule: Conocido como el equivalente neánico

del calor y es igual a 1cal _____4.18J

Calor específico: Es el calor necesario que se

aplica a la unidad de masa para que aumente

su temperatura 1°C.

Calor latente: Es el calor necesario que debe

suministrarse a un 1Kg de una sustancia a la

temperatura de transformación, para

cambiar su estado.

Q = cal m = Kg C1 = Kcal/Kg

Ejemplo

Calcular el calor latente de un cuerpo de

masa 2.3 Kg que produce una fuerza de 245

N en una distancia de 12m.

Primero determinaremos el trabajo que se

está realizando.

T = Fd = (245 n)(12m) = 2490 J

Una vez obtenido el trabajo en Joules,

transformar a calorías

) = 517 cal.

Por último, el resultado del calor se sustituye

en la ecuación del calor latente:

Cl = 225.03 cal/kg

Formas de transmisión del calor

1. Conducción El calor por conducción se produce cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluirá a través del objeto de mayor temperatura hacia el de menor buscando alcanzar el equilibrio térmico (ambos objetos a la misma temperatura). Un ejemplo lo tenemos a la hora de cocinar.

Cuando estamos cocinando en una sartén, si

se nos ocurre dejar un cubierto metálico

apoyado en el borde, al cogerlo notaremos

que se ha calentado (incluso puede que nos

quememos). El calor se ha transferido de la

sartén al cubierto por conducción.

2. Convección La transmisión de calor por convección tiene lugar en líquidos y gases. Ésta se produce cuando las partes más calientes de un fluido ascienden hacia las zonas más frías, generando de esta manera una circulación continúa del fluido (corriente conectiva) y transmitiendo así el calor hacía las zonas frías. Los líquidos y gases, al aumentar de temperatura disminuyen de densidad, provocando la ascensión. El hueco dejado por el fluido caliente lo ocupa el fluido más frío (de mayor densidad).

3. Radiación La transferencia de calor por radiación no necesita el contacto de la fuente de calor con el objeto que se desea calentar. A diferencia de la conducción y convección, no precisa de materia para calentar.

El calor es emitido por un cuerpo debido a su temperatura. Para este caso podemos tomar como ejemplo el sol. El calor que nos llega del sol viaja por el espacio vacío y calienta la superficie de la Tierra.

Expresión para la cantidad de calor:

Q = calor suministrado en calorías (cal) 0 (J)

M = masa del cuerpo en (gr) 0 (Kg)

T1 = Temperatura inicial en grados °C

T2 = Temperatura final en grados °C

Ce = una constante diferente para cada

sustancia, llamada calor especifico (cal/Kg°C)

Ejemplo

3 Kg de hielo a -10°C, se van a calentar para

convertirlos en vapor a la presión de 1 atm.

¿Qué cantidad de calor se necesita?

El calor necesario se reparte del modo

siguiente:

a) calor para calentar el hielo de -10 °C a

0°C.

Ce = 0.5 Kcal/Kg°C

b) Calor latente para fundido

Si tenemos:

Calor latente de fusión del hielo = 80

Kcal/Kg°C

ʎ1 = Kcal/Kg

80Kcal/Kg°C

c) Calor para calentar el agua obtenida

desde 0°C hasta 100°C (Ce = 1 Kcal/Kg°C)

d) Calor latente para evaporar el agua.

ʎv =540 Kcal/Kg

540Kcal/Kg°C

El calor necesario será la suma de todos:

7.10.- Primera Ley de la termodinámica,

equivalente mecánico del calor.

Primera Ley de la termodinámica

En la transformación de cualquier tipo de

energía, en energía calorífica, o viceversa, la

energía producida equivale, exactamente, a

la energía transformada, es decir que la

energía no se crea ni se destruye, sólo se

transforma.

Q = cal U = cal W = cal

Equivalente mecánico del calor.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria

para elevar la temperatura de un gramo de

agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC..

Con su experimento, Joule se propuso

demostrar que se podía elevar la

temperatura del agua transfiriéndole

energía mecánica.

Como es una forma de energía se mide en

Julios. Pero también se usa la caloría:

1 caloría=4.18 J

A esta fórmula se le conoce con el nombre

de equivalente mecánico del calor

Da una idea de cómo se puede convertir la

energía mecánica (cinética y potencial) y el

trabajo en calor, y viceversa.

7.11.- Transferencia de calor, procesos

termodinámicos.

Transferencia de calor

Transferencia de calor. Proceso por el que se

intercambia energía en forma de calor entre

distintos cuerpos, o entre diferentes partes

de un mismo cuerpo que están a

distinta temperatura.

Por conducción en sólidos, mediante los

choques de sus moléculas producidos por las

que reciben directamente el calor.

Por convección: formas en que los fluidos

(líquidos y gaseosos) transmiten el calor; se

caracteriza por el acenso y descenso de las

moléculas.

Por radiación: es la emisión continua de

energía radiante del sol, principalmente, y de

los cuerpos calientes, en forma de ondas

electromagnéticas. Además de ser la

capacidad de una sustancia para emitir

radiación cuando está caliente, es

proporcional a la capacidad que posee para

absorberla.

Procesos termodinámicos.

Proceso adiabático: Es aquel sistema cerrado

en donde no existe pérdida de calor o sea

que no transmite calor el sistema. En este

sistema no cambia la presión, ni la

temperatura.

Lo que indica que el calor del sistema es igual

a cero.

Q = cal U = cal W = cal

Proceso isotérmico: Cuando una masa de gas

se dilata isotérmicamente en contra de una

presión exterior, la energía interna es nula U

= 0 con lo que el calor que se suministra al

sistema cerrado es igual al trabajo que

realiza el gas, es decir:

En estas condiciones se verifica la ley de

Boyle.

Proceso isobárico: cuando una masa de un

gas se calienta, manteniendo constante la

presión es decir:

Proceso isocórico: cuando una nada de un

gas se calienta, manteniendo constante el

volumen.

W = 0

7.12.- Segunda ley de la termodinámica,

Entropía

Segunda ley de la termodinámica

Afirma la imposibilidad de movimiento

continuo, esto es que, todo procesos de la

naturaleza tienden a producirse sólo con un

aumento de entropía y la dirección del

cambio siempre es en la del incremento de la

entropía, o que no existe máquina que, sin

recibir energía exterior, pueda transferir

calor a otro, (de mayor temperatura) para

elevar su temperatura.

E = cal/°C Q = cal T = °C

Entropía

Tercera ley: La Entropía de todo solido

cristalino puro se puede considerar nula a la

temperatura del cero absoluto.

E = 0

7.13.- Maquinas térmicas.

Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior.

Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos: