Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de...

Técnico en Montaje y Mantenimientode Instalaciones de Frío,

Climatización y Producción de Calor

1Conceptos Básicosde Termodinámica

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AL

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ISTA

NC

IA

Uni

dad

CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

MÓDULO

Máquinas y Equipos Frigoríficos

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR

Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS Dirección: Dirección General de Formación Profesional.

Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente.

Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda

Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera

Autor: Javier Cueli Llera

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias

Coordinación:

Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández

Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Laura Fernández Menéndez Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto

Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda

Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso

Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 84-690-1471-4 Depósito Legal: AS-0591-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

Uni

dad Conceptos Básicos

de Termodinámica 1

3

Objetivos ...................................................................................................... 4

Conocimientos .............................................................................................. 5

Introducción.................................................................................................. 6

Contenidos generales..................................................................................... 6

Conceptos generales de termodinámica ......................................................... 7

Intercambio de calor...................................................................................... 25

Cambios de estado en la materia.................................................................... 31

Resumen de contenidos ................................................................................. 44

Autoevaluación ............................................................................................. 46

Respuestas de actividades .............................................................................. 48

Respuestas de autoevaluación........................................................................ 52

Sumario general

4

Módulo: Máquinas y EquiposFrigoríficos

Técnico en M

ontaje y M

antenim

iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro

ducción de Calor

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Diferenciar entre presión absoluta, presión relativa y presión diferencial.

Analizar los distintos sistemas que se emplean para medir la temperatura.

Comparar las distintas formas de transmisión de calor.

Relacionar y manejar las distintas unidades de medida empleadas en los sistemas

de transmisión de calor.

Distinguir entre calor latente, calor sensible y específico.

Realizar un cálculo sencillo sobre la cantidad de calor que se debe aportar o extra-

er en un cuerpo para modificar su temperatura y/o realizar un cambio de estado.

Describir la influencia de la presión en la evaporación de un gas.

Interpretar el diagrama de saturación o vaporización de distintas sustancias.

Objetivos

Uni


de Termodinámica 1

5

aCONCEPTOSS

• Conceptos generales: calor, frío, temperatura, presión, etc.

• Intercambio de calor: convección, conducción y radiación.

• Escalas de temperatura.

• Cambios de estado: calor sensible y calor latente. Calor específico.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS

• Resolución de problemas sencillos sobre cambios de unidades.

• Cálculo de las cantidades de calor necesarias para realizar cambios de estado y/o

variaciones de temperatura.

Conocimientos que deberías adquirir

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Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

Contenidos generales

La técnica frigorífica está basada en ciertas propiedades físicas que debemos conocer.

∂Por qué no utilizamos agua para obtener temperaturas de -18 °C? ∂Cómo es posible mo-

dificar la temperatura de ebullición de una sustancia?

Para el estudio de la refrigeración y climatización, es importante conocer algunos prin-

cipios fundamentales de la física y la termodinámica, que veremos a lo largo de esta uni-

dad. Date cuenta de que por ejemplo, para reparar una avería, instalar un componente

en una máquina o interpretar un catálogo tendrás que medir y/o interpretar una serie de

parámetros, como la temperatura, la presión, º así como conocer en qué unidades pue-

de expresarse. Asimismo necesitarás saber cómo se transfiere el calor, ya que tu trabajo

está relacionado con hacer funcionar correctamente los aparatos que modifican la tem-

peratura del ambiente.

A lo largo de esta unidad aprenderás algunos de los conceptos termodinámicos necesa-

rios para comprender diversos aspectos de tu futuro trabajo, cómo se transfiere el calor, y

cómo calcular ese calor que es necesario transferir. Hemos incluido, para que veas un

sentido práctico de la unidad, distintos procedimientos para medir temperatura.

Introducción

Uni


de Termodinámica 1

7

En este capítulo nos vamos a centrar en describir las nociones básicas ter-modinámicas necesarias para poder comprender en las próximas unidades, el funcionamiento de los elementos del ciclo frigorífico. También haremos hincapié en la importancia de las unidades de medida. Para los que ya están familiarizados con estos conceptos, les servirá como repaso o material de referencia.

Presión

La presión es una magnitud física que se define como la fuerza por unidad de superficie.

)(m

(N) (Pa)

2SSSS

FFFFPPPP = (las unidades corresponden al Sistema Internacional)

El concepto de presión se aplica tanto a sólidos como a líquidos y gases. Ten en cuenta

que en cada uno de estos estados la presión se ejerce de forma diferente debido a que

son distintas las superficies de contacto entre los materiales y sus contenedores o sus

puntos de apoyo.

Observa la figura 1. En ella se representa cómo un bloque de hielo ejerce la presión so-

bre su base, el agua líquida sobre las paredes del recipiente que la contiene y el vapor en

todas las superficies de su contenedor.

Fig. 1: Dirección de la presión ejercida por sólidos, líquidos y gases.

Conceptos generales de termodinámica

Fig. 1. Presión del agua en estado sólido, líquido y vapor. Bloque de hielo Agua Vapor

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ducción de Calor

∂Conoces cuáles son las unidades más utilizadas para medir presiones? Fíjate en la si-

guiente tabla. En ella se recogen las empleadas con más frecuencia, así como sus equi-

valencias. Con esta información podrás hacer conversiones de unidades entre distintos

sistemas de medida.

SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONALNALNALNAL

SSSSISTEISTEISTEISTEMAMAMAMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N

OOOOTROS TROS TROS TROS SSSSISTEMASISTEMASISTEMASISTEMAS

PaPaPaPasssscalcalcalcal barbarbarbar psipsipsipsi kgf/cmkgf/cmkgf/cmkgf/cm2222 atmatmatmatm mm Hmm Hmm Hmm H2222OOOO mm Hgmm Hgmm Hgmm Hg

1 1 1 1 Pa (N/m(N/m(N/m(N/m2)))) 1 10-5 0,000145 1,02⋅10-5 9,87⋅10-6 0,102 0,0075

1 bar 1 bar 1 bar 1 bar (daN/cm(daN/cm(daN/cm(daN/cm2) ) ) )

105 1 14,5 1,02 0,987 10.200 750

1 psi1 psi1 psi1 psi 6.890 0,0689 1 0,0703 0,068 703 51,7

1 kgf/cm1 kgf/cm1 kgf/cm1 kgf/cm2222 98.100 0,981 14,2 1 0,968 10.000 736

1 atm 1 atm 1 atm 1 atm 101.325 1,01 14,7 1,03 1 10.300 760

1 mm H1 mm H1 mm H1 mm H2222OOOO 0,102 10.200 0,00142 0,0001 9,68⋅10-5 1 0,0736

1 mm1 mm1 mm1 mm HgHgHgHg 133 0,00133 0,0193 0,0136 0,00132 13,6 1

Tal vez no recuerdes cómo se utilizan los factores de conversión de unidades. Aquí tie-

nes un ejemplo.

Imagina que estás trabajando con un aparato de medida inglés y éste indica una presión

de 40 psi. Es posible que te resulte mucho más familiar la presión expresada en bares.

Para realizar la conversión utilizamos las equivalencias recogidas en la tabla anterior.

Observa que 0,0001450 psi equivalen a 10-5 bar. Aplicando pues el correspondiente fac-

tor de conversión, obtenemos el resultado buscado.

Y si ahora queremos conocer el valor en Pascales, ∂cómo lo calculamos?

40 psi⋅psi 0,0001450

bar 10 5−

= 2,75 bar

40 psi⋅psi 0,0001450

Pa 1=275.790 Pa

Tabla 1: Equivalencias entre unidades de presión.

Uni


de Termodinámica 1

9

o Presión atmosférica, absoluta y relativa

Cuando hablamos de presión, manejamos diferentes términos: presión atmosférica, pre-

sión absoluta, presión relativa, presión diferencial... Veamos lo que significa cada uno de

ellos.

El concepto de presión atmosféricapresión atmosféricapresión atmosféricapresión atmosférica surge debido a la presión que ejerce la atmósfera

sobre la tierra. Se define como el peso de una columna de aire de sección 1 cm2 y que se

extiende desde la superficie de la tierra a nivel del mar hasta los límites superiores de la

atmósfera. Su valor es de aproximadamente 101.325 Pascales.

Para medir la presión atmosférica de forma experimental, se utiliza el barómbarómbarómbarómeeeetrotrotrotro.

Las unidades habituales de medida de presión atmosférica en otros sistemas son:

Atmósfera (atm).

Milímetros de mercurio (mm Hg).

La presión absolutapresión absolutapresión absolutapresión absoluta es la que se mide tomando como origen, es decir, como cero de pre-

sión, la correspondiente al vacío absoluto. En la escala de presión absoluta la presión

atmosférica tiene un valor de 1,013 bar, o lo que es lo mismo 101.325 Pascales. En la

figura 2 se representa de forma gráfica el fundamento del funcionamiento de un sensor

de presión durante la medida de presiones absolutas.

La presión relativa o normal presión relativa o normal presión relativa o normal presión relativa o normal mide la presión tomando como origen (como cero de la es-

cala) la presión atmosférica a nivel del mar. En la figura 3 se representa el funcionamiento

de un sensor de presión durante la medida de presiones relativas. Compárala con la figura

anterior.

Fig.2: Medida de la presión absoluta.

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ontaje y M

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ducción de Calor

La relación entre los tres tipos de presiones es la siguiente:

Para medir la presión relativamedir la presión relativamedir la presión relativamedir la presión relativa de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados se

utiliza el manómetromanómetromanómetromanómetro. Los manómetros indican pues la diferencia entre la presión absoluta en

un sistema y la presión atmosférica que actúa en el exterior del equipo de medida.

En la figura 4, puedes observar un manómetro convencio-

nal (4a), y un manómetro de frigorista (4b). Este último in-

corpora varias escalas de presión, habitualmente en psi y

bar, también una escala de temperatura, muy útil cuando

se está trabajando con refrigerantes, que permite conocer la

temperatura de evaporación o de condensación según la

presión que indique y el refrigerante que se este empleando.

P absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relP absoluta = P atmosférica + P relaaaativativativativa

Fig. 4b. Manómetro de frigorista.

REFRIGERANTES

PRESI‡N

Fig. 3: Medida de la presión relativa.

Fig. 4a. Manómetro convencional.

Uni


de Termodinámica 1

11

Otros términos muy utilizados cuando hablamos de presiones son presión manométrica y

presión de vacío.

• PPPPresión manométrica: resión manométrica: resión manométrica: resión manométrica: se aplica cuando la presión del sistema es mayor que la pre-

sión local atmosférica.

P manométrica (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) > 0

• Presión de vacío: Presión de vacío: Presión de vacío: Presión de vacío: se utiliza cuando la presión atmosférica es mayor que la del sistema.

P de vacío (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) < 0

Otro parámetro muy utilizado es la presión diferencial o dif presión diferencial o dif presión diferencial o dif presión diferencial o difeeeerencia de presión rencia de presión rencia de presión rencia de presión ∆∆∆∆PPPP, que mide la diferencia de presión entre dos puntos de una instalación.

∆P = P1 - P2

En ocasiones es muy útil conocer esta diferencia. Aquí tienes un ejemplo: cuando en un

filtro medimos la diferencia de presión y obtenemos un valor alto, quiere decir que el

filtro está ocluido o saturado. En la figura 5 se representa gráficamente el fundamento de

la medida de la presión diferencial.

ctiv

idad

aEl manómetro de la figura 4b no se encuentra conectado a ningún circuito, como puedes ver. Sin embargo, si te fijas, la aguja no está en el inicio de la escala. ∂Cómo explicas esto?

1

Fig. 5: Medida de la presión diferencial.

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ducción de Calor

Energía

La energía es la fuerza vital de la natu-

raleza, está presente en todos los pro-

cesos químicos, físicos, estructurales,

etc., que se dan en nuestro entorno y

que permiten el desarrollo de nuestras

actividades en las diferentes áreas de

trabajo. También se define, como la

capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un capacidad o aptitud para realizar un

trabajotrabajotrabajotrabajo. Todos los cuerpos, por el solo

hecho de estar formados de materia,

contienen energía. Además, la pueden

poseer adicionalmente debido a su

movimiento, composición química,

posición, temperatura y a algunas otras

propiedades. Así se habla de energía

cinética, química, potencial, térmica,

mecánica, eléctricaº

ctiv

idad

a Imagina que dispones de un manómetro conectado a un sis-tema de refrigeración y que marca 0,5 bar. ∂A qué tipo de pre-sión corresponde esta medida? ∂Cuál es la presión absoluta a la que se encuentra sometido el sistema?

2

Fig. 6: Formas de energía.

Uni


de Termodinámica 1

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En la refrigeración se deben tener en cuenta 3 formas comunes y relacionadas de energía:

Eléctrica.Eléctrica.Eléctrica.Eléctrica. Fluye hasta un motor eléctrico y lo hace funcionar.

Mecánica.Mecánica.Mecánica.Mecánica. El motor eléctrico transforma la energía eléctrica en mecánica y pone en movimiento un compresor.

Térmica.Térmica.Térmica.Térmica. Suele producirse habitualmente por una combinación de ambas energías. El compresor comprime el vapor a una presión y temperatura altas, y transforma la energía mecánica en térmica.

En la siguiente tabla se recogen las unidades de energía más utilizadas y sus equivalencias.

Otra unidad muy utilizada en refrigeración es la frigoría. La frigoríafrigoríafrigoríafrigoría es una unidad del sistema

técnico para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una caloría negativa. Se usa

en sistemas frigoríficos y aire acondicionado. También se utiliza la frigfrigfrigfrigooooría/horaría/horaría/horaría/hora que sirve

para expresar la potencia de un sistema de refrigeración.

SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA MMMMÉÉÉÉTRICOTRICOTRICOTRICO

CCCCONVENCIONVENCIONVENCIONVENCIOOOONALNALNALNAL

SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONANANANALLLL

SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA TTTTÉCNÉCNÉCNÉCNIIIICOCOCOCO

kfgkfgkfgkfg⋅⋅⋅⋅mmmm Julio (J) = NJulio (J) = NJulio (J) = NJulio (J) = N⋅⋅⋅⋅mmmm PiePiePiePie----libralibralibralibra

fuefuefuefuerrrrza (ftza (ftza (ftza (ft⋅⋅⋅⋅lbf)lbf)lbf)lbf) BtuBtuBtuBtu

CalCalCalCalooooría ría ría ría (cal)(cal)(cal)(cal)

FrigFrigFrigFrigooooríaríaríaría

0,102 1 0,7376 9,48⋅10-4 0,24 0,24

0,427 4,186 3,087 0,004 1 1

107,51 1.054 778 1 252 252

∂Sabías que los seres vivos, como el ser humano, necesitan energía para poder

sobrevivir? Nos alimentamos para obtener la energía que nos permita desarrollar

las funciones vitales. Por eso hablamos de las calorías que tiene la comida, se

refiere a la cantidad de energía que nos aporta. Una mujer de tipo medio precisa

1.800 calorías al día y un hombre 2.100.

Tabla 2: Unidades más importantes de energía.

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ducción de Calor

Potencia

La potencia se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.

(s)

(J) (w)

ttttPPPP

EEEE= (las unidades corresponden al Sistema Internacional)

Las unidades de medida de potencia más utilizadas y sus equivalencias son las siguientes:

SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA MMMMÉTRÉTRÉTRÉTRIIIICO CO CO CO

CCCCONVENCIONVENCIONVENCIONVENCIOOOONALNALNALNAL SSSSISTEMAISTEMAISTEMAISTEMA

IIIINTERNACINTERNACINTERNACINTERNACIOOOONALNALNALNAL SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA AAAANGLOSNGLOSNGLOSNGLOSAAAAJ‡NJ‡NJ‡NJ‡N SSSSISTEMA ISTEMA ISTEMA ISTEMA TTTTÉCNÉCNÉCNÉCNIIIICOCOCOCO

kfgkfgkfgkfg⋅⋅⋅⋅m/sm/sm/sm/s kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kilovatio (kw) = kJ/s = J/s = J/s = J/s =

NNNN⋅⋅⋅⋅m/sm/sm/sm/s PiePiePiePie----libra fuelibra fuelibra fuelibra fuerrrrza por za por za por za por

segundo (ftsegundo (ftsegundo (ftsegundo (ft⋅⋅⋅⋅lbf/s)lbf/s)lbf/s)lbf/s) Caballo Caballo Caballo Caballo

fuefuefuefuerrrrza (HP)za (HP)za (HP)za (HP) Caballo de vCaballo de vCaballo de vCaballo de vaaaapor por por por

(C(C(C(CV) V) V) V)

102 1 737,6 1,340 1,360

76,07 0,746 550,2 1 1,013

74,868 0,735 541,4 0,986 1

Tabla 3: Unidades más importantes de potencia.

Observa que la unidad recogida en la tabla 3 para el SI es el kilovatio,kilovatio,kilovatio,kilovatio, ya que, como suele

haber valores grandes de potencia, el vatio se queda pequeño y es más cómodo utilizar

este múltiplo suyo.

Seguro que cuando hablas de un coche haces referencia a cuántos caballos tiene.

Te estás refiriendo a su potencia, son caballos de vapor.

ctiv

idad

a Un aparato comercial de aire acondicionado doméstico posee una capacidad de enfriamiento de 2.500 kilofrigorías/hora. ∂De cuánta potencia estamos hablando en kilovatios?

3

Uni


de Termodinámica 1

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Calor y frío

El calocalocalocalorrrr se define como una forma de energía asociada al movimiento de las partículas que

forman la materia. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferen-

cia de parte de dicha energía interna (térmica) de un sistema a otro, con la condición de que

estén a diferente temperatura. Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámi-ca, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se

equilibra. El calor siempre fluye de la sustancia más caliente a la más fría, puede ser ge-

nerado por reacciones químicas, nuclearesº y transferido entre objetos por diferentes me-

canismos.

A todos los efectos las unidades de calorunidades de calorunidades de calorunidades de calor son las de energía.energía.energía.energía. Las más utilizadas son la

caloríacaloríacaloríacaloría y el Julio Julio Julio Julio junto con sus múltiplos, la kilocaloría y el kilojulio. Vuelve a consultar

la tabla 2 de esta unidad y comprueba cuáles son sus equivalencias.

Otro de los términos utilizados en termodinámica es el de frío.frío.frío.frío. El frío por definición no existe,

simplemente es la ausencia de calor. Es la energía extraída en forma de calor de un sistema,

cuando su temperatura está por debajo de la de su entorno.

Temperatura

La temperatura mide la intensidad o el nivel de calor de una sustancia, es decir, lo caliente o frío

que está.

Las unidades de temperatura son:

KelvinKelvinKelvinKelvin (K) en el SI.

Celsius o CentígradoCelsius o CentígradoCelsius o CentígradoCelsius o Centígrado (°C) en el sistema métrico.

FahrenheitFahrenheitFahrenheitFahrenheit (°F) en el sistema anglosajón.

Fíjate en el siguiente cuadro. En él

se recogen las equivalencias entre

los distintos sistemas de unidades

de temperatura. Esta información te

será muy útil para expresar tempe-

raturas en distintas unidades.

°C → °F °F = (1,8 °C) +32

°F → °C °C = (°F √ 32)⋅ 0,55

°C → K K = 273 + °C

K → °C °C = K - 273

°F → K K = 255,23 + ( 0,55⋅ °F)

K → °F °F = 1,8 K √ 459,4

Tabla 4: Equivalencias entre unidades de temperatura.

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Técnico en M

ontaje y M

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ducción de Calor

La temperatura se mide mediante un termómetro. Los termómetros pueden estar gradua-

dos en cualquiera de las tres escalas de temperatura que ya hemos visto. Las tres, Celsius,

Kelvin y Fahrenheit, utilizan dos puntos básicos de referencia: cuando el agua empieza a

congelarse y cuando empieza a hervir. En la figura 7 se muestra la relación entre ellas.

Si observas la figura anterior, comprobarás que tanto en el termómetro graduado en Kelvin

como en el Celsius, 100 intervalos de temperatura corresponden a una diferencia de

100 grados, aunque el valor de temperatura que indica cada termómetro es diferente.

ctiv

idad

a En un canal de televisión han dicho que en Nueva York está nevando y que la temperatura es de 30 grados. ∂Cómo es po-sible esto?

4

Fig. 7: Comparación de escalas termométricas.

Uni


de Termodinámica 1

17

Vamos a comprobar ahora con un ejemplo que los incrementos de temperatura en grados Kel-

vin y centígrados coinciden. Veamos primero cuál es el incremento de temperatura, ∆T, al

pasar de 30 °C a 250 °C.

∆T =250 °C - 30 °C = 220220220220

Si convertimos ahora las temperaturas inicial y final en grados Kelvin y calculamos de

nuevo el incremento de temperatura comprobaremos que ambos coinciden.

250 °C + 273= 523 K

30 °C + 273 = 303 K

∆T = (523-303) K = 220220220220

Esta relación es muy importante ya que las diferencias de temperatura suelen expresarse

en K y no en °C, puesto que coinciden. Observa como al hablar del diferencial de un

termostato aparece en K y no en °C. Con frecuencia se habla de que el diferencial de un

termostato es de 5K, o de un recalentamiento de 3K en una máquina frigorífica.

TTTTERMOSTATO CON ERMOSTATO CON ERMOSTATO CON ERMOSTATO CON AAAAJUSTE POR LA JUSTE POR LA JUSTE POR LA JUSTE POR LA PPPPARTE ARTE ARTE ARTE SSSSUPERIORUPERIORUPERIORUPERIOR

Escala de Ajuste Tipo

Punto de Ajuste Superior (°C) Diferencial ∆T (K)

Termostatos sin conmutador selector

1 -30º +15 1,5º 16

2 -30º +15 Cada 2,5 fijo

Contactos de baja temperatura

3 -10º+35 1,5º16

4 -45º-10 1,5º 16

Una diferencia de temperatura de un Kelvin equivale a una diferencia de tem-

peratura de un grado centígrado.

Observa como en el catálogo aparece el diferencial en K.

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antenim


ducción de Calor

o Tipos de termómetro

Existen distintos tipos de termómetros utilizados a nivel industrial, aparte del tradicional ter-

mómetro de mercurio que seguro que has utilizado alguna vez para medir la temperatura cor-

poral. Veamos cuáles son los más habituales.

A. Termómetro de bulbo

Estos medidores se basan en el aumento de presión que experi-

menta un fluido cuando aumenta la temperatura. Consisten en

un depósito o bulbo conectado mediante un capilar a un tubo en

espiral que se encuentra en el interior del manómetro. Cuando la

temperatura del bulbo aumenta, el gas o líquido que lleva en su

interior intenta expandirse, haciéndose mayor la presión que

ejerce sobre las paredes del tubo. Debido a esta presión, la

espiral se desenrolla y mueve un índice o aguja, que marca

la temperatura.

Se emplean para realizar mediciones a nivel local, poniéndo-

los en contacto con la superficie a medir.

Fig.8: Termómetro de bulbo.

BULBO

CAPILAR

ctiv

idad

a El cero absoluto de temperatura es la temperatura teórica más baja posible, y se alcanza cuando ya no queda más calor en una sustancia. El cero absoluto corresponde a 0 grados Kelvin. ¿A cuántos ºC y ºF equivale?

5

Uni


de Termodinámica 1

19

B. Medidores de temperatura de contacto

Estos termómetros determinan la temperatura colocando el aparato sobre la superficie

cuya temperatura se quiere medir. Pueden determinar temperaturas entre -200 y +1.767 °C.

En tu trabajo probablemente utilizarás alguno de los que se describen a continuación:

Termorresistencia.Termorresistencia.Termorresistencia.Termorresistencia. Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al va-

riar la temperatura. Las de uso más común se fabrican de alambres finos soporta-

dos por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se in-

serta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo, que se

llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba

humedad. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con

cable común de cobre. La magnitud de la corriente de medición de una termorre-

sistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá

como un error de medición.

Podríamos realizar distintas clasificaciones de las termorresistencias. Inicialmente

podríamos hablar de:

• PTC: PTC: PTC: PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.

• NTC: NTC: NTC: NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia.

Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así

tenemos, entre otras:

• Pt 100:Pt 100:Pt 100:Pt 100: Son termorresistencias de platino. Tienen un valor de 100 Ω a 0 °C. Son

las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables,

ya que es difícil que se contaminen con el medio en que se encuentran. Además

su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro mate-

rial (con la excepción del cobre).

Fig. 9. Ejemplo de NTC.

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antenim


ducción de Calor

En la figura siguiente aparece la curva de una Pt 100.

• Ni 500: Ni 500: Ni 500: Ni 500: Termorresistencia de níquel con un valor de 500 Ω a 0°C.

Nuestro problema no es decidir que tipo de termorresistencia debemos utilizar para

cada aplicación, sino seleccionarla correctamente según las características técnicas

del instrumento de medida: numero de hilos, tipo de encapsulado, etc. Observa el

esquema eléctrico de la figura siguiente correspondiente a un programador electró-

nico en el que aparecen distintas alternativas para la sonda de temperatura.

Fig. 10: Curva de una resistencia Pt 100.

Fig. 11: Esquema de conexiones de un controlador (Eliwell).

Uni


de Termodinámica 1

21

En la figura 12 puedes ver una Pt con el conversor de señal sin integrar (a) e integrado (b).

La termorresistencia necesita un dispositivo para ≈interpretar∆ a que valor de temperatura

corresponde el valor de dicha termorresistencia. Así mismo, suele ser necesario transmitir

la señal a distancias que pueden ser largas, por lo que es preciso convertir la señal de la

termorresistencia en una señal de voltios o mA. Generalmente se suelen utilizar los valores

0 √ 10 Voltios, 0 √ 20 mA ó 4 √ 20 mA.

En la siguiente fotografía se muestra el aspecto de una Pt 100 sin conectar y su

apariencia una vez conectada.

Fig. 10.

Fig. 12. Termorresistencias de platino.

Fig. 13. Termorresistencia Pt 100 instalada.

22


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ducción de Calor

Las señales de 4 √ 20 mA no sólo se emplean con las sondas de temperatura sino que

también son muy utilizadas con los transmisores de presión, como veremos posterior-

mente. En la figura aparece la señal procedente de un transmisor de presión con un rango

comprendido entre 0 y 30 bar.

Termopar. Termopar. Termopar. Termopar. Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la

fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales dis-

tintos. No mide temperaturas absolutas, sino la diferencia entre el extremo caliente

y el frío. Los termopares son muy usados como sensores de temperatura. Son bara-

tos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio

rango de temperaturas.

Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los ma-

teriales que contienen. El más utilizado en el mundo de la refrigeración es el ter-

mopar tipo T (Cu-Constantan).

Fig. 15. Fundamento del funcionamiento de un termopar.

Fig. 14: Señal correspondiente a un transmisor de presión.

Uni


de Termodinámica 1

23

Observa ahora la gráfica 16 y la tabla que

está a continuación y compara los rangos de

aplicación y las condiciones generales de

uso de termorresistencias y termopares.

UUUUTILIZACI‡N DETILIZACI‡N DETILIZACI‡N DETILIZACI‡N DEºººº

Pt100Pt100Pt100Pt100 TermoparTermoparTermoparTermopar

Cuando se requiere alta precisión Cuando el lugar de medida requiere un termómetro muy pequeño o delgado (<1mm)

Cuando la temperatura está por debajo de 400 °C

Cuando la temperatura excede de 400 °C

Cuando no se requiere un tiempo rápido de respuesta

Cuando se requiere un tiempo de respuesta rápido

Cuando no se esperan choques ni vibraciones

Cuando se esperan choques o vibraciones

Cuando se quieren evitar los problemas eléctricos

Cuando se necesita una longitud específica de inmersión

Fig. 16: Rango de temperaturas de uso de termorresistencias-termopares.

Tabla 5: Aplicaciones de termorresistencias y termopares.

24


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ducción de Calor

C. Medidores de temperatura sin contacto

Un medidor de este tipo es el termómetro por infrarrojos. Su fun-

cionamiento se basa en la medición de la radicación infrarroja

emitida por un cuerpo para determinar su temperatura.

Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefac-

ción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en

trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones

difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas.

Generalmente poseen un rayo de luz piloto para indicar el centro

del punto de medida. En superficies brillantes o pulidas, sólo se

podrán utilizar para determinadas tendencias de temperatura. No

es posible en estos casos realizar mediciones absolutas. Son muy

cómodos de utilizar, pero más caros que los de contacto.

Fig. 17: Termómetro por infrarrojos.

ctiv

idad

a ∂Existe alguna temperatura en la que marquen lo mismo un termómetro graduado en la escala Celsius y otro graduado en la escala Fahrenheit?

6

Uni


de Termodinámica 1

25

En el capítulo anterior hemos visto algunas de las principales propiedades ter-modinámicas de la materia, como el calor. Vamos a estudiar ahora cómo se transfiere el calor entre diferentes sustancias, algo que nos es familiar, ya que por ejemplo, echamos leche fría en el café caliente para enfriarlo, o en invierno nos abrigamos para no pasar frío. Estos son algunos ejemplos cotidianos de transferencias de calor, un fenómeno muy presente en el mundo de las climati-zaciones.

La transferencia de calor

La transferencia de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos,

o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Existen tres formas de transmisión de calor:

Convección.Convección.Convección.Convección.

Radiación. Radiación. Radiación. Radiación.

Conducción. Conducción. Conducción. Conducción.

Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que

uno de ellos predomine sobre los otros dos.

Intercambio de calor

El calor se transmite a través de la pared de una casa

fundamentalmente por conducción.

El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se

calienta en gran medida por convección.

La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por

radiación.

Ejemplos

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ducción de Calor

Vamos a ver a continuación en qué consiste cada uno de los mecanismos de transmisión

de calor.

o Convección

Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi

seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndo-

se calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fe-

nómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característi-

co de líquidos y gases.

El movimiento del fluido puede ser:

Natural.Natural.Natural.Natural. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el fluido

se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende,

mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido

exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina con-vección natural.

Supón que calentamos una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se

calienta por el calor que se ha transmitido a través de la cacerola. Al expandirse, su

densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del

fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación

en el seno del líquido. El líquido más frío situado abajo vuelve a calentarse e inicia su

ascensión, mientras que el líquido más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor

cediéndolo al aire situado por encima, enfriándose y volviendo a descender. Y así con-

tinuamente.

Este fenómeno también determina el movimiento de las grandes masas de aire so-

bre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes y las co-

rrientes oceánicas.

En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convec-

ción natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los

radiadores de la calefacción por gas natural que muchos de nosotros tenemos en

casa.

ForzadForzadForzadForzadoooo.... En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El mo-

vimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico, como una

bomba o un ventilador.

Uni


de Termodinámica 1

27

Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos

convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente.

Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que

incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en

espacios reducidos, como puede ser en un baño.

La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en

la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convec-

ción forzada, tal como se indica en la figura adjunta.

ctiv

idad

a ∂Cómo crees que afectan las corrientes naturales de convección en una habitación calefactada mediante un radiador al calentamiento de la estancia? ∂Qué ocurre si colocamos un ventilador frente al radiador? ∂Y si situamos el termostato muy cerca del techo o del suelo?

7

Fig. 18: Evaporadores de convección forzada y de convección natural.

28


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ducción de Calor

o Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es

la conducción, que es un mecanismo de transferencia de

energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto

directo de sus partículas, que tienden a igualar su tempe-

ratura o estado de excitación térmica. Si se calienta un

extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su

temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más

frío por conducción.

La conductividad térmicaconductividad térmicaconductividad térmicaconductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de

conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en cuerpos continuos, y baja

en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio,

que se denominan por eso aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conduc-

tor de calor, no lo transmite sino que nos protege de perderlo. Por eso no deja escapar el

calor que tenemos en nuestro cuerpo, y nos aísla de las corrientes de convección que nos

lo pudieran robar.

o Radiación

Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absolu-

to, emitenemitenemitenemiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándo-

se y calentando otros cuerpos. También los cuerpos son capaces de absorberabsorberabsorberabsorber radiación

de un cuerpo que esté a temperatura mayor, calentándose. Cuando se alcanza el equili-

brio térmico, las velocidades de emisión y absorción son iguales.

Fig. 19. A través de los sólidos el calor se transmi-te por conducción.

∂Sabías que debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los

radiadores deben colocarse cerca del suelo, y los aparatos de aire acondicionado

cerca del techo para que la eficiencia sea máxima?

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de Termodinámica 1

29

Un cuerpo negrocuerpo negrocuerpo negrocuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía que incide sobre

él. Ninguna parte de la radiación que llega hasta él es reflejada o pasa a su través. Como

estos cuerpos no reflejan la luz, se ven negros, de ahí su nombre. ∂Nunca has oído decir

que en verano hay que ponerse ropa blanca porque es mucho más fresca? Es debido a

que la ropa oscura absorbe toda la radiación, mientras que la blanca la refleja.

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un me-

dio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por ra-

diación es la más rápida.

∂Sabías que a temperaturas ordinarias los cuerpos se ven por la luz que refle-

jan, no por la que emiten? Eso es lo que ocurre con la Luna, que la vemos gra-

cias al reflejo de la luz del Sol. Sin embargo a temperaturas altas, los cuerpos

son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros.

Ejemplo

Cuando la radiación solar llega a la superficie de la

Tierra, le aporta energía que eleva su temperatura. La

energía absorbida es emitida luego como radiación

infrarroja. Sin embargo, no toda esta radiación vuel-

ve al espacio, ya que alrededor de un 90% es absor-

bida por la atmósfera, provocando un fenómeno

similar al que mantiene la temperatura cálida en el

interior de un invernadero. De este modo, el equili-

brio térmico se establece a una temperatura superior

a la que se obtendría sin este efecto.

30


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ducción de Calor

∂Sabías que la importancia de los efectos de absorción y emisión de radiación en la atmósfera son fundamentales para el desarrollo de la vida tal y como se conoce? De hecho, si no existiera este efecto la temperatura media de la Tierra sería entre 30 y 40 °C más baja, situándose a casi 20 °C bajo cero.

ctiv

idad

a El cuerpo humano dispone de mecanismos de generación de calor y, a su vez, está sometido a un intercambio térmico con el ambiente que le rodea, con el fin de mantener la tempera-tura corporal dentro de unos límites.

∂Cuáles crees que son los mecanismos de intercambio para lograrlo?

8

Uni


de Termodinámica 1

31

Cambios de estado en la materia

Seguro que ya sabes que la materia puede ser sólida, líquida o gaseosa. Si no, piensa en el agua, el hielo y el vapor de agua, es la misma sustancia que se presenta de forma diferente en función de la temperatura. Para poder modificar la temperatura y conseguir cambios de estado, hemos de transferir calor por alguno de los métodos expuestos en el capítulo anterior. Ahora veremos cómo ocurre.

Las sustancias existen en tres estados, en función de su temperatura, presión y contenido

térmico:

Sólido:Sólido:Sólido:Sólido: cualquier sustancia física que conserva su forma incluso aunque no esté

dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de moléculas, todas exacta-

mente con el mismo tamaño, masa y forma. Están en la misma posición relativa

unas de otras, pero aún así, pueden vibrar. Esta velocidad de vibración dependerá

proporcionalmente de la temperatura, a mayor temperatura, mayor vibración, y vi-

ceversa. Las moléculas se atraen fuertemente entre sí y es necesaria mucha fuerza

para poder separarlas. Son propiedades características de un sólido su rigidez, su

dureza y su resistencia.

Líquido:Líquido:Líquido:Líquido: es cualquier fluido cuyo volumen se mantiene constante en condiciones

de temperatura y presión también constantes. Su forma está definida por su conte-

nedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos

los lados. Las moléculas se atraen entre sí con una fuerza menor que en los sólidos.

El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy fre-

cuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no

tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene.

¿Sabías que el vidrio a temperaturas normales no es un sólido sino un líquido supercongelado?

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ducción de Calor

Gas:Gas:Gas:Gas: es un fluido que no tiene forma ni volumen fijo. Las fuerzas que mantienen

unidas las partículas son muy pequeñas, así como el número de partículas por

unidad de volumen. Las partículas se mueven libremente de forma desordenada,

con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene, de modo

que ocupan todo el espacio disponible. Al aumentar la temperatura las partículas

se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipien-

te, por lo que aumenta la presión.

El agua a presión atmosférica estándar y temperaturas bajo cero es un sólido (hielo). Entre

0 °C y 100 °C es un líquido (agua), y a partir de 100 °C es un gas (vapor).

ctiv

idad

a Clasifica las siguientes características según se correspondan a sóli-

dos, líquidos o gases:

a. Volumen constante.

b. Volumen variable.

c. Dureza.

d. Forma fija.

e. Forma variable.

f. Partículas ordenadas en posiciones fijas.

g. Partículas próximas con movimiento libre.

h. Partículas distantes con movimiento libre.

i. Expansibles.

9

Uni


de Termodinámica 1

33

La mayoría de las sustancias cambian de estado físico cuando absorben o eliminan calor:

Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:Absorber calor provoca:

• Que los sólidos se conviertan en líquidos: fusión.fusión.fusión.fusión.

• Que los sólidos se conviertan gases, sin pasar por líquido: sublimación.sublimación.sublimación.sublimación.

• Que los líquidos se conviertan en gases: vaporizvaporizvaporizvaporizaaaación.ción.ción.ción.

Eliminar calor provEliminar calor provEliminar calor provEliminar calor provoca:oca:oca:oca:

• Que los gases se conviertan en líquidos: condenscondenscondenscondensaaaación.ción.ción.ción.

• Que los líquidos se conviertan en sólidos: solidificsolidificsolidificsolidificaaaación.ción.ción.ción.

• Que lo gases se conviertan en sólidos, sin pasar por líquido: sublimación isublimación isublimación isublimación innnnversa.versa.versa.versa.

Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la tem-

peratura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones

cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transi-

ción, el proceso se denomina liculiculiculicueeeefacción.facción.facción.facción.

Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y

presión para cualquier sustancia dada. Puedes ver en la figura siguiente cómo el agua

pasa de sólido a vapor, y cómo se representan en un gráfico Temperatura-Calor estos

cambios.

Fig. 20. Cambios de estado de la materia.

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ducción de Calor

Las temperaturas a las que se producen estos cambios tienen un nombre concreto y se

denominan:

Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado lí-

quido. También se llama punto de fusión.

Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición.Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor.

También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación.

Temperatura de condensación.Temperatura de condensación.Temperatura de condensación.Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado

líquido. También se llama temperatura de saturación.

Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido cambia al es-

tado sólido.

T fusión = T solidificación

T ebullición = T condensación

Recuerda que a presión constante:

T fusión = T solidificación

T ebullición = T condensación

Fig. 21. Cambios de estado del agua.

Uni


de Termodinámica 1

35

El diagrama de saturación o de vaporización

La temperatura de saturación de las sustancias varía de unas a otras, y a su vez en fun-

ción de la presión.

El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar,

es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión disminuye la temperatura de

saturación o de vaporización.

¿Sabías que a la altura del nivel del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera

y la temperatura de ebullición del agua en un recipiente abierto es de 100 °C?

PPPPDADESDADESDADESDADES. . . . DEL AGUADEL AGUADEL AGUADEL AGUA PPPPTOTOTOTO. . . . DE EBULLDE EBULLDE EBULLDE EBULLIIIICI‡NCI‡NCI‡NCI‡N P P P P VAPORVAPORVAPORVAPOR

A nivel del marA nivel del marA nivel del marA nivel del mar 100 °C 1.013 mbar

(1 atm)

A 3.000 mA 3.000 mA 3.000 mA 3.000 m 89 °C 675 mbar

(0,666 atm)

Sin embargo, a mayor altitud la presión

atmosférica es menor y la temperatura a

la que hierve el agua disminuye. Por ello,

si nos pusiéramos a cocer alimentos en

un recipiente abierto a 3.000 m de altura,

podríamos tardar incluso días, ya que el

agua comenzaría a hervir a una tempera-

tura mucho menor de 100 °C, se conver-

tiría en vapor y no alcanzaríamos la tem-

peratura suficiente para lograr una coc-

ción relativamente rápida.

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ducción de Calor

Para mostrar la información relativa a presiones y temperaturas se utiliza el diagrama de

saturación de cada sustancia. A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra el

correspondiente al refrigerante R-22.

Estos diagramas permiten obtener mucha información (consulta las figuras 22 y 23 a me-

dida que vayas leyendo el texto):

Conocer el estado físicoConocer el estado físicoConocer el estado físicoConocer el estado físico de una sustancia. Supón unos valores concretos de tempe-

ratura y presión:

• Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la

curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en la figura

22 y punto A en la figura 23a).

• Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2 en

la figura 22 y punto C en la figura 23a).

• Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está

saturada (punto 3 en la figura 22 y punto B en la figura 23a).

Obtener la temperaturaObtener la temperaturaObtener la temperaturaObtener la temperatura de saturación de saturación de saturación de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta

temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión y

la curva de saturación (T1 en la figura 23b).

Obtener la presiónObtener la presiónObtener la presiónObtener la presión de saturaciónde saturaciónde saturaciónde saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la co-

rrespondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura y la curva de satu-

ración (P2 en la figura 23b).

Fig. 22: Diagrama de saturación del R-22.

Uni


de Termodinámica 1

37

La presión a la que, para cada temperatura dada, las fases líquida y vapor se encuentran

en equilibrio se denomina presión de vaporpresión de vaporpresión de vaporpresión de vapor o más comúnmente presión de saturaciónpresión de saturaciónpresión de saturaciónpresión de saturación.

Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan

ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la

curva (por ejemplo el punto 3 en la figura 22).

En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representati-

vo en el diagrama. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que

puede ser alguno de los siguientes:

Líquido saturado.Líquido saturado.Líquido saturado.Líquido saturado. Surge cuando se aplica calor adicional a un líquido, provocando

la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la sobre la sobre la sobre la

cucucucurrrrvavavava de saturación.

Vapor saturado.Vapor saturado.Vapor saturado.Vapor saturado. Se forma cuando la temperatura de un vapor disminuye a la

temperatura de saturación. El enfriamiento del vapor provoca la condensación

de una parte de él. El punto representativo se encuentra también sobre la curva sobre la curva sobre la curva sobre la curva de

saturación.

Vapor Vapor Vapor Vapor sobrecalentado.sobrecalentado.sobrecalentado.sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por

encima de la temperatura de saturación. Para sobrecalentar un vapor, es necesario

separar el vapor del líquido, estará saturado. El punto correspondiente en el diagrama

de saturación estaría situado por debajo de la curvadebajo de la curvadebajo de la curvadebajo de la curva (punto 2 en la figura 22).

Líquido subenfriado.Líquido subenfriado.Líquido subenfriado.Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo

que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama

estaríamos situados por encima de la curvapor encima de la curvapor encima de la curvapor encima de la curva (punto 1 en la figura 22).

Fig. 23: Obtención de valores en el diagrama de saturación.

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ducción de Calor

Tipos de calor

El calor que recibe o que cede un cuerpo puede dar lugar a un cambio de temperaturacambio de temperaturacambio de temperaturacambio de temperatura o

a un cambio de estado.cambio de estado.cambio de estado.cambio de estado. La energía térmica relacionada con cada uno de estos fenómenos

tiene un nombre específico, y así hablamos de calor latentecalor latentecalor latentecalor latente y ccccalor sensible. alor sensible. alor sensible. alor sensible. A continua-

ción se explica cómo se define y se calcula cada uno de ellos.

o Calor latente

Cuando un cuerpo absorbe calor bajo ésta forma (o se le suministra) su temperatura permantemperatura permantemperatura permantemperatura permaneeeecececece

constante constante constante constante produciéndose un cacacacammmmbio de estado físico.bio de estado físico.bio de estado físico.bio de estado físico.

Así, por ejemplo, mientras el agua está hirviendo la temperatura permanece constante (100 °C

a nivel del mar) mientras exista una mezcla de líquido y agua que se vaporiza.

Latente en latín quiere decir escondido. El calor latente se llama así porque no se manifiesta

explícitamente, la temperatura no varía durante el cambio de estado.

ctiv

idad

a a) Con ayuda de la gráfica de la figura 22 determina cuál es la

temperatura de saturación correspondiente a la presión de 10 bar.

b) Para 0 °C y 20 bar, ∂en qué estado físico se encuentra la sus-tancia?

10

Uni


de Termodinámica 1

39

El calor latente necesario para provocar un cambio de estado varía con cada sustancia.

Fíjate en los ejemplos recogidos en la tabla siguiente:

A. ∂Cómo se calcula el calor necesario para lograr un cambio de estado?

La cantidad de calor que se debe añadir o eliminar de una masa de material dada para

provocar su cambio de estado se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Siendo:

QQQQLLLL = cantidad de calor absorbida o eliminada por la materia.

mmmm = masa de la sustancia.

LLLL = calor latente de la sustancia.

Vamos a aplicar esta fórmula para calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, necesa-

ria para vaporizar 10 kilogramos de agua que se encuentran a 100 °C.

QL= m ⋅ Lv = 10 kg ⋅ 539 kcal/kg = 5.390 kcal

CCCCALOR LATENTE ALOR LATENTE ALOR LATENTE ALOR LATENTE

AguaAguaAguaAgua 539 kcal/kg - 2.257 kJ/kg

AmoníacoAmoníacoAmoníacoAmoníaco 327 kcal/kg - 1.369 kJ/kg

RRRR----22222222 52 kcal/kg - 217 kJ/kg

Tabla 6: Calor latente de vaporización (Lv) de algunas sustancias.

QL = m ⋅ L

∂Sabías que el proceso que ocurre en un botijo es una refrigeración mediante

evaporación?

Es muy simple, cuando el agua se evapora necesita energía para que se produz-

ca el cambio de estado de líquido a gas. Esa energía puede tomarla del ambien-

te, pero también del propio sistema, en este caso del agua. Así cuando se eva-

pora una parte de agua, a través de los poros del botijo, extrae energía del sis-

tema y por tanto en el agua remanente disminuye la temperatura.

40


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ducción de Calor

El calor latente depende de la transformación que se vaya a producir en la materia de la

que este formado el cuerpo. Así podemos hablar de:

•••• Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: Calor latente de solidificación: cantidad de calor que se debe extraer a 1 kg de un

cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura.

•••• Calor latente de fusCalor latente de fusCalor latente de fusCalor latente de fusión: ión: ión: ión: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo

para hacerlo pasar del estado sólido al estado líquido sin aumentar su temperatura.

•••• Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: Calor latente de vaporización: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un

cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura.

o Calor sensible

Se llama sensible al calor evidente al tacto, el que sentimos y medimos con un termóme-

tro. Este calor provoca, tanto si se añade como si se retira, un cambio en cambio en cambio en cambio en la temperla temperla temperla temperaaaatura tura tura tura

de la sustancia.de la sustancia.de la sustancia.de la sustancia. En este caso no existe cambio de estadono existe cambio de estadono existe cambio de estadono existe cambio de estado de la sustancia. La cantidad de

calor intercambiada depende de la variación de temperatura y del calor específico del

cuerpo.

Se define el calor específicocalor específicocalor específicocalor específico de un cuerpo como la cantidad de calor que debe suminis-

trarse a un cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico.

Sus unidades son J/kg K en el Sistema Internacional, aunque es muy frecuente emplear la

cal/g °C.

El calor específico del agua es 1 cal/g °C, es decir, hay que suministrar una caloría a un

gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Cada sustancia tiene

su propio calor especifico; en la tabla 7 tienes algunos ejemplos.

CCCCALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICOALOR ESPEC‹FICO

Agua 4,187 kJ/kg K - 1 cal/g °C

Hielo 2,110 kJ/kg K - 0,504 cal/g °C

Madera 1,369 kJ/kg K - 0,327 cal/g °C

Hierro 0,54 kJ/kg K - 0,129 cal/g °C

Cobre 0,398 kJ/kg K - 0,095 cal/g °C

Tabla 7: Calor específico de distintas sustancias.

Uni


de Termodinámica 1

41

A. ∂Cómo calcular el calor necesario para lograr un aumento determinado de temperatura en una sustancia?

Para calcular la cantidad de calor que se debe añadir o eliminar para provocar un cam-

bio específico en la temperatura de una materia, se utiliza la siguiente fórmula:

Siendo:

QQQQSSSS = cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia.

mmmm= masa de la sustancia.

cccc = calor específico de la sustancia.

tttt2222 = temperatura final.

tttt1111 = temperatura inicial.

Analiza el siguiente ejemplo. Vamos a calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, que

debe añadirse para calentar un bloque de cobre de 20 kilogramos desde 30 °C a 250 °C.

Necesitamos conocer el calor específico del cobre. Si consultamos la tabla 7, compro-bamos que:

Ccobre = 0,095 kcal/kg ⋅ °C

Aplicamos directamente la fórmula Qs = m⋅c⋅(t2 - t1)

Qs= 20 kg ⋅ 0,095 kcal/kg⋅ °C⋅(250-30) °C = 418 kcal

Para el caso de los alimentos existen tablas donde aparecen los datos necesarios para

calcular la cantidad de calor que es necesario extraer de los mismos para modificar su

temperatura y/o lograr un cambio de estado.

En la tabla 8 tienes un ejemplo de presentación para algunos alimentos:

Fíjate como aparecen los datos de calor latente, calor específico, calor de respiración,

humedad relativa, º Todos estos datos resultan de interés a la hora de proyectar una

instalación para el almacenamiento de alimentos. Si por ejemplo se trata de almace-

nar carne fresca, la humedad relativa de la cámara es muy baja, la carne pierde agua

y, por tanto,peso, resultando una pérdida económica importante para el propietario

de la instalación.

QS = m ⋅ c⋅ (t2-t1)

42


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ontaje y M

antenim


ducción de Calor

Tabla 8: Datos relativos a algunos alimentos.

a

ctiv

idad

a Calcula el calor necesario que se debe extraer para conser-var 250 kg de uvas durante 24 horas, sabiendo que entraron en la cámara a una temperatura de 14 ≥C.

11

1

Uni


de Termodinámica 1

43

o Gráficos Temperatura -Calor

Los cambios de temperatura y

de estado pueden representarse

en gráficas similares a la ilus-

trada en la figura 24. En ella se

representa la temperatura frente

al calor. Puedes comprobar que

cuando sube la temperatura no

hay cambio de estado y que

cuando hay cambio de estado,

la temperatura permanece

constante. También se indica

gráficamente cuál es el calor

sensible y cuál el latente.

a

Fig. 24: Gráfico temperatura-calor.

ctiv

idad

a Disponemos de 10 kilogramos de pescado a una temperatura de 20 ≥C y queremos congelarlo y llevarlo a una temperatura de √18 °C.

∂Qué cantidad de calor debemos extraer para lograrlo?

12

44


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ontaje y M

antenim


ducción de Calor

Resumen

PresiónPresiónPresiónPresión

Energía y PoteEnergía y PoteEnergía y PoteEnergía y Potennnnciaciaciacia

Calor y FríoCalor y FríoCalor y FríoCalor y Frío

TemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura

Transferencia de cTransferencia de cTransferencia de cTransferencia de caaaalorlorlorlor

ConvecciónConvecciónConvecciónConvección

Es la fuerza dividida por la superficie de contacto sobre

la que se aplica. Suele expresarse en Pascales y se mide

mediante un manómetro. La presión atmosférica, es la

presión que ejerce el aire sobre la tierra y se toma como

referencia para los cálculos. Se mide con un barómetro.

Es la capacidad para realizar un trabajo, todos los cuer-

pos tienen energía por ser materia Se mide en Julios. La

potencia es la cantidad de trabajo que se realiza en un

tiempo. Se mide habitualmente en kilovatios.

El calor es una forma de energía asociada al movimiento de las

partículas, debido a una diferencia de temperatura. Tiene uni-

dades de energía, pero la que se suele utilizar es la caloría, y en

las refrigeraciones, frigorías. El frío es la ausencia de calor.

Representa la cantidad de calor de un cuerpo. Sus uni-

dades son grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se mide

habitualmente mediante un termómetro. En aplicaciones

industriales, se utilizan termorresistencias y un termopa-

res, todos ellos medidores por contacto. También existen

aparatos de medida sin contacto, que funcionan

mediante infrarrojos.

Se produce mediante el intercambio de energía debido a

una diferencia de temperatura Ocurre a través de tres

mecanismos: convección, conducción y radiación.

Intercambio de calor que se produce por diferencia de

temperatura en el seno de un fluido. Puede ser natural o

forzada.

Uni


de Termodinámica 1

45

RadiaciónRadiaciónRadiaciónRadiación

ConducciónConducciónConducciónConducción

Cambios de estCambios de estCambios de estCambios de estadoadoadoado

Calor latenteCalor latenteCalor latenteCalor latente

Calor sensibleCalor sensibleCalor sensibleCalor sensible

Calor específicoCalor específicoCalor específicoCalor específico

Diagrama de saturDiagrama de saturDiagrama de saturDiagrama de saturaaaaciónciónciónción

Todos los cuerpos por tener una temperatura superior al

cero absoluto emiten energía, enfriando y calentando los

cuerpos que están a su alrededor. No es necesario un me-

dio para transmitir calor por radiación. Los cuerpos negros

absorben toda la radiación que llega hasta ellos y no refle-

jan nada, al contrario que los cuerpos blancos.

Transmisión de calor por contacto directo de las partículas

de los cuerpos implicados. Cada cuerpo tiene definida su

conductividad térmica, que determina la capacidad de con-

ducir el calor a través de él.

Los tres estados de la materia son sólido, líquido y gas. Al

añadir o eliminar calor, las sustancias cambian de estado,

cada una a unos valores propios de temperatura y presión..

Durante el cambio de estado no aumenta la temperatura.

Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustan-

cia para que se produzca su cambio de estado, sin cambio

de temperatura.

Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustan-

cia para producir un cambio en su temperatura.

Es el necesario para aumentar 1 ≥C la temperatura de 1

kilogramo de sustancia.

Es un diagrama Presión-Temperatura en el que la curva

representa el paso de líquido a vapor. Sobre la curva nos

encontramos en situación de saturación, a la presión de

vapor. Por encima de la curva tenemos líquido subenfria-

do y por debajo vapor sobrecalentado.

46


Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

Autoevaluación

1.1.1.1. ∂A qué magnitud corresponden las siguientes unidades?

UUUUNIDADNIDADNIDADNIDAD MMMMAGNITUDAGNITUDAGNITUDAGNITUD

CV

psi

Fahrenheit

daN/cm2

kJ

Frigoría

2.2.2.2. ∂Cómo se transmite el calor en una olla, un atizador de fuego y una hoguera? 3.3.3.3. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

VVVV FFFF

a. El agua se congela a 273 K.

b. Esta nevera tiene 5.000 calorías de potencia.

c. Los sistemas de climatización pueden expresar su po-tencia en frigorías/hora.

d. En Los Ÿngeles hace mucho calor hoy, hay 50 °F.

e. El calor se transfiere de la zona fría a la caliente

f. Un radiador transmite energía por conducción.

g. En el Everest el agua hierve a una temperatura infe-rior que a nivel del mar.

h. El calor latente de una sustancia es el necesario para que se produzca un cambio de estado.

i. Si el manómetro nos da una presión negativa es por-que hemos medido mal.

Uni


de Termodinámica 1

47

4.4.4.4. Determina la cantidad de calor que hay que suministrar para convertir 1 gramo de

hielo a -20 °C en vapor a 100 °C. Representa en una gráfica Temperatura-Calor,

los cambios que se van produciendo a medida que aumenta la temperatura.

Los datos son los siguientes:

Calor específico del hielo ch = 2.090 J/(kg⋅K)

Calor de fusión del hielo Lf = 334”103 J/kg

Calor específico del agua c = 4.180 J/(kg⋅K)

Calor de vaporización del agua Lv = 2.260”103 J/kg

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ducción de Calor

Respuestas Actividades

1.1.1.1. Los manómetros miden la presión relativa, marcando 0 a la presión atmosférica a nivel del mar. Que la aguja no esté situada en el cero, significa que el sistema en el que está integrado el manómetro no está ubicado a nivel del mar, y éste está mi-diendo la diferencia entre la presión del ambiente en el que se encuentra, y la pre-sión atmosférica.

2.2.2.2. El valor de 0,5 bar corresponde a la presión relativa.

La presión absoluta sobre el sistema la calculamos sabiendo: P absoluta = P atmosférica + P relativa = 1 + 0,5 = 1,5 bar1,5 bar1,5 bar1,5 bar

3.3.3.3. 1 kilovatio equivale a 1 kilojulio por segundo. Vamos a convertir las kilofrigorías a

kilojulios, y las horas en segundos hasta obtener el resultado en las unidades buscadas.

2.500 h

kfrig⋅

kfrig 1

frig 1.000⋅

frig 1

kJ 4,18⋅

s 3.600

hora 1= 2.902,78 kJ/s= 2222....902902902902,,,,78 kw78 kw78 kw78 kw

4.4.4.4. Los 30 grados son Fahrenheit, por eso es posible que esté nevando, ya que se corres-

ponden aproximadamente con -1 °C.

(30 °F √ 32) ⋅ 0,55 = -1,1 °C 5.5.5.5. El cero absoluto expresado en °C y °F tiene los siguientes valores:

°C = K - 273 = 0 - 273 = ----273 °C273 °C273 °C273 °C

°F= 1,8 ⋅ K - 459,4 = 1,8 ⋅ 0 – 459,4 = ----459,4 °F459,4 °F459,4 °F459,4 °F

6.6.6.6. Para comprobarlo, hemos de utilizar las ecuaciones de conversión de Celsius a Fahrenheit y viceversa:

°F = (1,8⋅ °C) + 32

°C = (°F √ 32)⋅ 0,55 Resolviendo °F = °C en cualquiera de las expresiones:

°C= (1,8 ⋅ °C) + 32

-0,8 ⋅ °C = 32 → °C = ----40 = °F40 = °F40 = °F40 = °F

Uni


de Termodinámica 1

49

7.7.7.7. Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador.

Si ponemos un ventilador, debido al efecto de la convección forzada, se calentará mucho más deprisa el ambiente. Es similar al ejemplo que hemos visto de agitar el agua que se calienta al fuego. Tanto si colocamos el termostato muy cerca del techo como muy cerca del suelo, su lectura no se corresponderá con la temperatura general de la habitación ya que, en las proximidades del techo el aire está más caliente y cerca del suelo está más frío.

8888.... El cuerpo humano elimina el calor por radiaciónradiaciónradiaciónradiación en una tasa proporcional a la

diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio ambiente. La radiación es res-ponsable del 50% de la pérdida total del calor del cuerpo y la mayor parte de ese calor se pierde por la cabeza.

También el ser humano pierde calor por conducciónconducciónconducciónconducción cuando entra en contacto con

un objeto que está a menor temperatura que su cuerpo. Ocurre por ejemplo al dor-mir sobre un suelo frío o al utilizar zapatos de suela fina sobre la nieve.

Además el cuerpo intercambia calor a través de su piel con el aire que le rodea . El intercambio térmico entre la piel y el aire se produce por convección.convección.convección.convección. Este inter-cambio dependerá de la diferencia de temperaturas y de la velocidad del aire.

9999.... SSSS‡LIDOS‡LIDOS‡LIDOS‡LIDOS LLLL‹QUIDOS‹QUIDOS‹QUIDOS‹QUIDOS GGGGASESASESASESASES

Volumen constante Volumen constante Volumen variable

Forma fija Forma variable Forma variable

Partículas ordenadas en posiciones fijas

Partículas próximas con movimiento libre

Partículas distantes con movimiento libre

Dureza Expansibles

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ducción de Calor

11110000.... a) Utilizando el diagrama de la figura 22 trazamos una línea recta horizontal a la altura de 10 bar hasta cortar con la línea de saturación. La temperatura corres-pondiente al punto de corte es la temperatura de saturación a esa presión: 20°C (punto 1).

b) El punto correspondiente a una temperatura de 0 °C y a una presión de 20 bar es el punto 2. Dado que se encuentra por encima de la curva de saturación, la sustancia estará como líquido subenfriado.

11111111.... Si consultas la tabla 8 y compruebas los datos correspondientes a las uvas, verás

que su temperatura de conservación para periodos de almacenaje corto es de 2 °C. Aplicando la fórmula correspondiente para calcular la cantidad de calor que es necesario extraer:

Q=m Q=m Q=m Q=m ⋅⋅⋅⋅ c (t c (t c (t c (t2222----tttt1111))))= 250 kg ⋅ 0,86 kcal/kg °C (2 °C √ 14 °C) = ---- 2.580 kcal 2.580 kcal 2.580 kcal 2.580 kcal

El signo √ significa que el calor ha de ser eliminado.

11112.2.2.2. La primera etapa del enfriamiento es la correspondiente a la bajada de temperatu-ra desde 20 °C hasta el punto de congelación, en este caso √2 °C. Para calcular el calor perdido por el pescado en este tramo aplicamos la fórmula:

Q= mQ= mQ= mQ= m⋅⋅⋅⋅cccc⋅⋅⋅⋅ (t(t(t(t2222----tttt1111) ) ) ) siendo

Q1=10 kg ⋅ 3,18 kJ/kg °C⋅ [(-2)-20] °C= ---- 699,6 kJ 699,6 kJ 699,6 kJ 699,6 kJ (el signo menos indica que es calor cedido por el pescado).

m= 10 kg c= 3,18 kJ/kg °C t1 = 20 ≥C t2= -2 ≥C

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de Termodinámica 1

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Una segunda fase es la correspondiente al cambio de fase propiamente dicho, en el que se congelan todos los fluidos del pescado pasando de líquido a sólido. Para calcular el calor implicado en ese paso aplicamos la fórmula:

Q= m Q= m Q= m Q= m ⋅⋅⋅⋅ L L L L siendo

Q2=10 kg ⋅276 kJ/kg = 2.760 kJ2.760 kJ2.760 kJ2.760 kJ

Aún tenemos que calcular el calor cedido durante la última etapa de enfriamiento, hasta que se alcanzan los √18 °C. Para ello aplicamos de nuevo la primera fórmu-la, siendo en este caso:

Q3=10 kg ⋅ 1,67 kJ/kg °C⋅ [(-18)-(-2)] °C = 267,2 kJ267,2 kJ267,2 kJ267,2 kJ

El calor total cedido es la suma de los tres calculados:

Q = 699,6 + 2.760 + 267,2 = 3.726,8 kJ3.726,8 kJ3.726,8 kJ3.726,8 kJ

m= 10 kg c= 1,67 kJ/kg °C t1 = -2 ≥C t2= -18 ≥C

m= 10 kg L= 276 kJ/kg

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ducción de Calor

Respuestas Autoevaluación

1. La respuesta correcta es:

UUUUNIDADNIDADNIDADNIDAD MMMMAGNITUDAGNITUDAGNITUDAGNITUD

CV Potencia

psi Presión

Fahrenheit Temperatura

daN/cm2 Presión

kJ Energía

Frigoría Energía

2. La respuesta correcta es:

En una ollaollaollaolla se produce conducción por el calor que se propaga de la parte de

debajo de la olla donde incide el fuego, al resto de las partes, y también apare-

ce este fenómeno cuando estamos cocinando algo sólido, por ejemplo, un po-

llo, el calor se transmite desde la superficie de la olla al pollo.

La convección surge cuando, por ejemplo, estamos calentando agua, y se iguala

la temperatura de todo el fluido.

En un atizador de fuegoatizador de fuegoatizador de fuegoatizador de fuego se produce claramente conducción. Se calienta el ex-

tremo con el que se remueven las brasas, y el calor se propaga a través de él

hasta que tú lo sientes en la mano.

En una hoguerahoguerahoguerahoguera se produce radiación, se transmite calor sin necesidad de materia

como medio de transmisión. 3.3.3.3. Las afirmaciones son:

a. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera. b. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. La caloría es una unidad de energía, no de potencia. c. Verd Verd Verd Verdaaaadera.dera.dera.dera. d. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. 50 ≥F equivale a 10 ≥C, con lo cual, no hace mucho calor. e. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. Siempre se transmite de la zona caliente a la fría.... f. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. Se transmite el calor mediante radiación g. Verd Verd Verd Verdaaaadera.dera.dera.dera. h. Verdadera. Verdadera. Verdadera. Verdadera. i.i.i.i. Falsa. Falsa. Falsa. Falsa. También mide presiones negativas, cuando la presión medida está por

debajo de la atmosférica.

Uni


de Termodinámica 1

53

4.... Vamos a calcularlo paso a paso:

Se eleva la temperatura de 1 gramo de hielo de -20 ºC a 0 ºC. Calculamos el calor sensible correspondiente a este paso, ya que no hay cambio de fase, sólo de temperatura:

Q1= m⋅c⋅(t2 - t1) = 0,001 kg ⋅ 2.090 J/kg K ⋅(0-(-20)) K= 41,8 J Date cuenta que el intervalo de temperatura es igual en Kelvin y en Celsius, por eso ponemos en las unidades K, para obtener al final las unidades deseadas sin tener que hacer el cambio de ºC a Kelvin. Si no fuera una diferencia de tempera-tura, sí tendríamos que hacer el cambio de unidades.

A continuación se funde el hielo, hay cambio de fase, pero no de temperatura. Lo calculamos mediante el calor latente de fusión, porque pasamos de sólido a líquido: Q2= m⋅Lf =0,001 kg⋅334⋅103 J/kg = 334 J

Después se eleva la temperatura del agua de 0≥ C a 100 ≥C. Utilizando el calor espe-cífico del agua, obtenemos el calor necesario para realizar ese aumento de temperatura: Q3= m⋅c⋅(t2-t1) = 0,001 kg ⋅ 4.180 J/kg K ⋅(100-0) K=418 J

Por último se convierte 1 gramo de agua a 100 ºC en vapor a la misma temperatura:

Q4= m⋅Lv =0,001 kg ⋅2.260⋅103 J/kg = 2.260 J Sumamos todas las cantidades de calor que hemos calculado para obtener el calor total necesario:

QT=Q1+Q2+Q3+Q4=3333....053053053053,,,,8 J8 J8 J8 J

La gráfica T-Q que representa los cambios durante este proceso es la siguiente:

Hielo

Q (J)

41,8 375,8 793,8 3.053,8

100

0T (C)

50

0

-20

Hielo + agua

Agua

Agua + vapor

Vapor

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