investigacion de 25 de noviembre de 2015 oficial.pdf
TRANSCRIPT
CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLOGICO INDUSTRIAL Y
DE SERVICIOS NO.243
CATEDRATICO:
ING. MAUGRO JOSEIM GOMEZ ROBLERO
ALUMNO:
JUAN DANIEL VELAZQUEZ PEREZ
ESPECIALIDAD:
¡OFIMATICA!
SEMESTRE Y GRUPO:
5º “A”
MATERIA:
FISICA II
TRABAJO:
INVESTIGACION
TEMAS:
TERMOLOGIA
TEMPERATURA
CALOR
ESCALAS TERMOMETRICASY DILATACION
CANTIDAD DE CALOR
FECHA DE ENTREGA: 25 DE NOVIEMBRE DEL 2015.
MOTOZINTLA DE MENDOZA, CHIAPAS, MEXICO.
pág. 2
INDICE
OBJETIVOS
INTRODUCCION
DESARROLLO DEL TEMA:
TERMOLOGIA ------------------------------------------------------------- 5,7
TEMPERATURA -------------------------------------------------------- 8,13
CALOR ------------------------------------------------------------------- 14,18
ESCALAS TERMOMETRICAS Y DILATACION --------------- 19-26
CANTIDAD DE CALOR --------------------------------------------- 27,33
CONCLUSION -------------------------------------------------------------- 34
BIBLIOGRAFIAS ----------------------------------------------------------- 35
pág. 3
OBJETIVO GENERAL
En esta investigación se mencionare los conceptos como; “Termología,
Temperatura, Calor, Escalas termométricas y dilatación, Cantidad de
calor”, donde el principal objetivo es buscar y obtener buena información en
base a los temas mencionados, donde servirá para una buena
retroalimentación, esta investigación es muy fundamental y a las ves
importante en la vida cotidiana porque nos da a conocer estos temas y en
base a estos conceptos investigados servirán y no serán de gran ayuda para
cualquier duda que tengamos.
pág. 4
INTRODUCCION
En este documento de la investigación que te presentare adelante nos enseña los
conceptos importantes de los siguientes puntos como: TERMOLOGIA,
TEMPERATURA, CALOR, ESCALAS TERMOMETRICAS Y DILATACION Y
CANTIDAD DE CALOR. Esta investigación te ayudara a conocer bien los que es
su definición sus formula y aplicación, ya que cada uno de esto nos ayuda a poder
tener más conocimientos para poder practicar lo que es en una carrera y donde
estos conceptos son fundamentales en la vida diaria que debemos de conocer bien
así mismos diferenciar bien cada uno de los preceptos. Como por ejemplo
temperatura necesitamos saber cómo es que se lleva a cabo la temperatura y en
que momento, el calor como se lleva acabo como también la relación en la física,
las escalas termométricas y dilatación nos ayudara a que podamos identificar muy
bien sus funciones y aplicación, y el precepto de calor este punto es muy importante
ya que nos dará a conocer cómo y en qué momento surge una gran cantidad de
calor en un determinado tiempo.
En esta investigación que realizare, tiene a finalidad y el único propósito para que
tu querido lector puedas adquirir buena información y una buena retroalimentación
a tus conocimientos porque es muy fundamental en la vida cotidiana. Conociendo
bien los temas ya mencionados puede que en un momento dado nos puede ser de
gran utilidad y de gran aportación para satisfacer y enriquecer cada una de nuestras
dudas necesidades que tengamos.
pág. 5
CONCEPTO DE FÍSICA
1. TERMOLOGIA
1.1 CONCEPTO
La termología (termo = calor, logia = estudio) es la parte de la física que estudia el
calor y sus efectos sobre la materia. Si se desglosa la palabra termología se podrá
apreciar que es un vocablo compuesto, en donde su prefijo termo significa calor y
logia significa estudio, conociendo esto podemos afirmar que la termología es el
estudio de la temperatura
que presentan los cuerpos
que conforman al mundo.
Siendo entonces la
termología el estudio de
la temperatura se debe
tener en cuenta que esta
última es conocida como
una magnitud física que
permite conocer cuál es el
grado calórico que puede
presentar un cuerpo o
un sistema,
diciendo, posibilita saber cuándo algo está frío o caliente, y es importante resaltar
que la temperatura está asociada a la agitación o movimiento que existe entre las
moléculas que conforman un cuerpo o sustancia, mientras mayor sea el dinamismo
o movimiento (energía cinética) de las partículas de un cuerpo, mayor será la
temperatura que presente.
pág. 6
La termología pretende explicar cuáles son los fenómenos en los que interviene el
calor e indicar cuales son los efectos que produce en la materia, por ejemplo
teniendo agua a temperatura ambiente las moléculas que están presente en ella
interactúan entre sí pero de un modo “calmado”, al aplicarles un aumento de
temperatura (calor) estas partículas comienzan a desplazarse de manera rápida
rebotando unas con otras, esto es debido a que al calentar el cuerpo aumenta su
energía térmica (que es la agitación presente en las moléculas que componen a un
cuerpo). El rebote entre moléculas que mencionamos anteriormente es conocido
como dilatación térmica y ocurre cuando al cambiar la temperatura de una
sustancia(bien sea añadiendo frío o calor) las partículas que lo componen necesitan
mayor espacio y terminan alejándose unas de otras y aumenta el volumen de la
sustancia u objeto.
En este artículo buscaremos introducir los conceptos de temperatura y calor, así
como los varios efectos que el calor impone a los cuerpos tales como el cambio de
estado y la dilatación.
1.2 Formulas
Escalas termométricas
Capacidad Térmica
Calor sensível
pág. 7
1.3 Ejercicio
Calcular el calor latente de un cuerpo de masa 2.3 kg que produce una fuerza de
245 N en una distancia de 12 m.
Primero se determina el trabajo que se está realizando.
W=Fd= (245 N) (12 m)=2490 J
Una vez obtenido el trabajo en Joules, se transforman a calorías con la siguiente
relación:
1 cal — 4.81 J
x cal — 2490 J
X cal= (1 cal) (2490 J)/4.81 J = 517.64 cal
Por último, el resultado del calor se sustituye en la ecuación del calor latente:
Cl= Q/m= 517.67 cal/2.3 kg=225.03 cal/kg
pág. 8
TEMPERATURA
2.1 Concepto
Se define como temperatura de un cuerpo la cantidad de energía que contiene su
unidad de masa. No depende del tamaño del cuerpo ni de su material. A mayor
temperatura tendremos mayor sensación
de calor, a menor temperatura, sensación
de frío. Un cuerpo caliente aporta mayor
cantidad de energía.
El aparato que mide la temperatura es
el termómetro, que utiliza diferentes
escalas. La escala Celsius toma como
puntos fijos los puntos
de solidificación y ebullición del agua, y
luego, partiendo del punto de
solidificación, lo subdivide en cien partes
iguales. La escala Fahrenheit en vez de
usar la escala entre 0 y 100 grados. Utiliza la escala ente 32 y 212 grados, por lo
tanto en el mismo intervalo de temperaturas habrá más grados Fahrenheit que
Celsius. El Kelvin es la unidad de medida del Sistema Internacional de Unidades,
que es una escala termodinámica.
Las variaciones de temperatura producen entre sus efectos físicos, la dilatación de
los cuerpos. La dilatación de los líquidos es mayor que la de los sólidos por la falta
de rigidez de sus moléculas.
Equilibrio térmico significa que dados dos cuerpos en contacto, con temperaturas
diferentes, se producirá el fluir del cuerpo más caliente al más frío hasta igualar sus
temperaturas.
pág. 9
La temperatura corporal en los animales varía según la especie. Cuando las
temperaturas normales para la especie se sobrepasan se llama fiebre. Para medir
la temperatura de los mamíferos se utiliza el termómetro clínico, que usa en escala
de entre 35 y 42º C (Centígrados). Este termómetro utiliza para medir la
temperatura, mercurio, que al dilatarse, muestra la temperatura que asciende por
un tubo graduado.
La temperatura atmosférica es el grado de calor contenido en la atmósfera, que
proviene de la energía solar. Los rayos solares inciden con mayor fuerza en la zona
ecuatorial, por eso allí se registran las mayores temperaturas, a medida que nos
acercamos a los polos la temperatura disminuye. La altura es un factor que modifica
la temperatura de un lugar, a mayor altura, menor temperatura, aproximadamente
disminuye 1 º C cada 180 m. de altura.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K),
y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el
valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado
igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras
escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius,
llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en
los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la
escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la
escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la
Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos
de la ingeniería. Sin embargo, debería utilizarse el Julio puesto que la temperatura
no es más que una medida de la energía cinética media de un sistema, de esta
manera podríamos prescindir de la constante de Boltzmann.
pág. 10
2.2 Unidades de medida
Actualmente se utilizan tres escalas de temperatura; grados Fahrenheit (ºF), Celsius
(ºC) y Kelvin (ºK). En la escala Fahrenheit, que es la más utilizada en Estados
Unidos, se definen los puntos de congelación y de ebullición normales del agua
en 32 y 212 ºF, respectivamente. La escala Celsius divide en 100 grados el intervalo
comprendido entre el punto de congelación (0 ºC) y el punto de ebullición del agua
(100 ºC).
- Grados Fahrenheit (sistema internacional): este toma las divisiones entre los
puntos de congelación y evaporación de disoluciones de cloruro amónico. Así que
la propuesta de Gabriel Fahrenheit en 1724, establece el cero y el cien en las
temperaturas de congelación y evaporación del cloruro amónico en agua. Este
utilizo un termómetro de mercurio en el que introduce una mezcla de hielo triturado
con cloruro amónico a partes iguales. Esta disolución salina concentrada daba la
temperatura más baja posible en el laboratorio, por aquella época. A continuación
realizaba otra mezcla de hielo triturado y agua pura, que determina el punto 30 ºF,
que después fija en 32 ºF (punto de fusión del hielo) y posteriormente expone el
termómetro al vapor de agua hirviendo y obtiene el punto 212 ºF (punto de ebullición
del agua). La diferencia entre los dos puntos es de 180 ºF, que dividida en 180
partes iguales determina el grado Fahrenheit.
Relación entre °C y °F:
°C = °F – 32 180
Es decir que si comparamos ambas ðT veremos que:
1 °C = 5/9 °F
Pero como estas escalas no son proporcionales, es decir, no existe un cero de
comparación absoluto, se adoptó una Escala Absoluta de Temperatura o Escala en
grados Kelvin (°K), tomándose como en 0 °K a la mínima T° a la que podía llegarse
físicamente, es decir: 0 °K == - 273,15 °C.
pág. 11
Vemos que esta escala es proporcional y lineal, puesto que no existe ninguna T°
menor al Cero Absoluto.
2.3 Formulas
A veces hay que convertir la temperatura de una escala a otra.
Para convertir de ºC a ºF use la fórmula: ºF = ºC x 1.8 + 32.
Para convertir de ºF a ºC use la fórmula: ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.
Para convertir de K a ºC use la fórmula: ºC = K – 273.15
Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.
Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
Para convertir de K a ºF use la fórmula: ºF = 1.8 (K – 273.15) + 32.
2.4 Ejercicio
EJEMPLOS • Ejemplo 1: Convertir 100°F a grados centígrados:
°C= 5/9 (°F-32) = 5/9 (100-32) = 5/9 (68) = 5 x 68 / 9 = 37.77°C •
Ejemplo 2: Convertir 100°C a grados Fahrenheit
°F = 9/5 °C + 32 = 9/5 (100) + 32 = 9 x 100 / 5 + 32 = 180 + 32 = 212°F •
Ejemplo 3. Convertir 100°C a grados Kelvin K=
°C + 273,15 = 100 + 273,15 = 273,15 K •
Ejemplo 4: Convertir 50 grados Kelvin a grados Centígrados
°C= K – 273,15 = 50 – 273,15 = -223°C
pág. 12
2.5 Tabla de unidades de medida
Kelvin Grado Celsius
Grado Fahrenheit
Rankine Grado Réaumur
Grado Rømer
Grado Newton
Grado Delisle
Kelvin
K =
Re + 273,15
K = (Ro - 7,5)
+ 273,15
K = N
+ 273,15
K = 373,15 -
De
Grado Celsius
C = (F -
32)
C = (Ra -
491,67)
C =
Re
C = (Ro - 7,5)
C = N
C = 100 -
De
Grado Fahrenheit
- 459,67
F = C + 32
F =
Re + 32
F = (Ro - 7,5)
+ 32
F = N
+ 32
F = 121 -
De
Rankine
Ra = (C +
273,15)
Ra =
Re + 491,67
Ra = (Ro - 7,5)
+ 491,67
Ra = N
+ 491,67
Ra = 171,67 -
De
Grado Réaumur
Re = C Re = (F -
32)
Re = (Ra -
491,67)
Re = (Ro - 7,5)
Re = N
Re = 80 -
De
Grado Rømer
Ro =(K -
273,15) +7,5
Ro =
C +7,5
Ro = (F -
32) +7,5
Ro = Ra - 491,67
+7,5
Ro = Re
+7,5
Ro = N
+7,5
Ro = 60 - De
Grado Newton
N = (K - 273,15)
N = C N = (F -
32)
N = (Ra - 491,67)
N = Re
N = (Ro - 7,5)
N = 33 - De
pág. 13
Grado Delisle
De = (373,15 -
K)
De = (100 -
C)
De = (121
- F)
De = (580,67 -
Ra)
De = (80 - Re)
De = (60 - Ro)
De = (33 - N)
pág. 14
CALOR
3.1 concepto
El calor es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada. La física
entiende el calor como la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un
cuerpo a otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y
otras partículas.
En este sentido, el calor puede generarse a
partir de una reacción química (como la
combustión), una reacción nuclear (como
aquellas que se desarrollan dentro del Sol)
o una disipación (ya sea mecánica, fricción,
o electromagnética, microondas).
Es importante tener en cuenta que los
cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se
transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura, se
habla de calor. El traspaso de calor se producirá hasta que los dos sistemas se
sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio térmico.
La cantidad de energía térmica que se traspasa se calcula y se expresa en calorías.
Esta unidad de medida (no oficial) refleja la cantidad energética requerida para
elevar, de 14,5º a 15,5º Celsius, la temperatura de un gramo de H2O (agua). En
el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de energía se conoce como joule.
Una caloría resulta equivalente a 4,184 Joules.
Existen otros usos del término calor, por lo general relacionados con un sentido
simbólico. El calor puede ser, por lo tanto, sinónimo
de enardecimiento y exaltación (por ejemplo, “El calor del público se hizo sentir en
pág. 15
el estadio”) o referirse a lo más intenso de
una acción (“Su ropa se rompió en el calor
de la batalla”).
Ciertas consecuencias del calentamiento
global
Sin duda, la consecuencia más clara del
calentamiento global es el aumento de la
temperatura media del planeta, fenómeno
que hemos presenciado en las últimas
décadas. Asimismo, el nivel del mar ha aumentado considerablemente, lo cual
amenaza con peligrosas inundaciones.
Todo esto podría repercutir en la salud, provocando un alza en el promedio de
personas afectadas por enfermedades respiratorias y cardiovasculares, así como
infecciones causadas por insectos tropicales y deshidratación. El primer grupo de
afecciones mencionadas tendría lugar dado que, a causa del calor, aumentaría el
esfuerzo necesario para realizar cualquier actividad física, con la consecuente
presión sobre los pulmones y el sistema circulatorio.
Con respecto a los mosquitos y el resto de las plagas, siendo que las zonas
tropicales se ampliarían, enfermedades como el dengue, la fiebre amarilla, el cólera
y la malaria afectarían a un porcentaje mayor de la población mundial.
La magnitud y frecuencia de las precipitaciones serían mayores, aunque el nivel de
agua de los ríos y lagos decrecería, dada la mayor evaporación que causarían las
altas temperaturas. Ciertas sequías a lo largo del año podrían afectar la
productividad de la generación de energía eléctrica. Por otro lado, naturalmente,
aumentaría la demanda de agua potable, para luchar contra el calor. Esta demanda,
sin embargo, no podría ser satisfecha.
Otra posible consecuencia de la excesiva evaporación sería que los suelos
perdieran su humedad; esto ocasionaría que muchas zonas ricas en vegetación se
pág. 16
convirtieran en desiertos. A la pérdida de plantas y nutrientes seguiría lógicamente
una disminución en las actividades ganaderas, con su impacto en la economía.
Las inundaciones, por otra parte, no sólo traerían consigo evacuaciones masivas,
sino que el agua del mar salinizaría ciertos ríos y ocasionaría un aumento en la
erosión de las edificaciones de las costas, lo cual amenazaría sus cimientos. A su
vez, la luz solar no alcanzaría con la misma facilidad el fondo de los arrecifes, y esto
afectaría directamente el proceso de fotosíntesis de ciertas especies que resultan
esenciales para la vida del coral, una de cuyas funciones es moderar el oleaje.
3.2 UNIDAD DE MEDIDA DE CALOR.
El calor es una forma de energía, y sus unidades de medida son el Joule (J) y la
caloría (cal) (1 cal = 4,186 J) que fue definida en su momento para el calor cuando
no se había establecido que era una forma de energía.
Caloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a un gramo de
agua para cambiar su temperatura en 1º C (cambiar su temperatura significa
aumentarla en 1º C o disminuirla en lº C). Se abrevia “cal”.
Junto con la caloría se usa también la kilocaloría para medir el calor.
Kilocaloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a 1
kilogramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C. Se abrevia kcal.
pág. 17
Ejemplos:
325 calorías son 325.000 kilocalorías porque
se debe multiplicar 325 · 1.000
1.500 kilocalorías son 1,5 calorías porque se
debe dividir 1.500 por 1.000
Equivalencia mecánica del calor
Como ya dijimos, cuando hablamos de calor
nos estamos refiriendo a una forma de energía, pero ¿Qué sucede cuando
queremos convertir energía calórica en energía mecánica?
El calor puede ser convertido en energía mecánica y viceversa, y como el calor es
una forma de energía, simplemente se estaría comprobando la ley de conservación
de la energía, que señala:
La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo
mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico
del calor. A una caloría le corresponden 4,186 Joules.
Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para
producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los
que se realiza el trabajo.
O sea que cuando hablamos del equivalente mecánico del calor, no es más que una
manera de expresar dos formas de energía que son iguales calóricamente
hablando: la energía calórica (representada en calorías) y la energía mecánica
(representada en Joules).
La relación entre la cantidad de calor producido y el trabajo realizado es una
constante llamada equivalente mecánico del calor.
pág. 18
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de calor es la misma de
energía, es decir el Joule.
Si expresamos el calor en calorías y el trabajo en Joules o julios (J), se tiene la
siguiente equivalencia entre Joules y Calorías:
1 caloría = 4,186 Joule y la relación inversa es: 1 J = 0,24 cal
pág. 19
ESCALAS TERMOMETRICAS Y DILATACION
4.1concepto
Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y
absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la
temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está
limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual
esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación
correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con
otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar
con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones
subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.
En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la
correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor
de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una
varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del
volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la
temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser
empleadas en la construcción de termómetros.
Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad
termométrica que reúna las siguientes condiciones:
La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser
conocida.
La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de
temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños
cambios térmicos.
pág. 20
El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.
Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una
escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones;
por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que
permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de
temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
4.2 Aplicación de las escalas termométricas
La relación existente entre las escalas termométricas más empleadas permite
expresar una misma temperatura en diferentes formas, esto es, con resultados
numéricos y con unidades de medida distintas. Se trata, en lo que sigue, de aplicar
las ecuaciones de conversión entre escalas para determinar la temperatura en
grados Celsius y en grados Fahrenheit de un cuerpo, cuyo valor en Kelvin es de
77 K.
Para la conversión de K en °C se emplea la ecuación:
T (°C) = T (K) - 273
Es decir:
t(°C) = 77 - 273 = - 196 °C
Para la conversión en °F se emplea la ecuación:
t(°F) = 1,8 · t(°C) + 32
t(°F) = 1,8 · (- 196) + 32 = - 320,8 °F
Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos
en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este
tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la
escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit
pág. 21
ESCALA DE DILATACION
4.3 Concepto
El hecho de que las dimensiones de los cuerpos, por lo general, aumenten
regularmente con la temperatura, ha dado lugar a la utilización de tales dimensiones
como propiedades termométricas y constituyen el fundamento de la mayor parte de
los termómetros ordinarios. Los termómetros de líquidos, como los de alcohol
coloreado empleados en meteorología o los de mercurio, de uso clínico, se basan
en el fenómeno de la dilatación y emplean como propiedad termométrica el volumen
del líquido correspondiente.
La longitud de una varilla o de un hilo metálico puede utilizarse, asimismo, como
propiedad termométrica. Su ley de variación con la temperatura para rangos no muy
amplios (de 0º a 100 °C) es del tipo:
lt = l0 (1 + a·t)
Donde lt representa el valor de la longitud a t grados Celsius, l0 el valor a cero
grados y a es un parámetro o constante característica de la sustancia que se
denomina coeficiente de dilatación lineal. La ecuación anterior permite establecer
una correspondencia entre las magnitudes longitud y temperatura, de tal modo que
midiendo aquélla pueda determinarse ésta.
Una aplicación termométrica del fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el
termómetro metálico. Está formado por una lámina bimetálica de materiales de
diferentes coeficientes de dilatación lineal que se consigue soldando dos láminas
de metales tales como latón y acero, de igual longitud a 0 °C. Cuando la temperatura
aumenta o disminuye respecto del valor inicial, su diferente da lugar a que una de
las láminas se dilate más que la otra, con lo que el conjunto se curva en un sentido
o en otro según que la temperatura medida sea mayor o menor que la inicial de
pág. 22
referencia. Además, la desviación es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de
temperaturas respecto de 0 °C. Si se añade una aguja indicadora al sistema, de
modo que pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de
otro termómetro de referencia, se tiene un termómetro metálico.
La dilatación en Física es el aumento de un cuerpo en su volumen, éste se hace más
grande (más largo o ancho, o ambas cosas).
La dilatación puede ocurrir por una variación de temperatura a presión constante. Esto se
conoce como dilatación térmica. Cuando un cuerpo sólido (sobre todo plano) se calienta,
se dilata en largo y ancho aumentando su superficie, pues el calor otorga a sus
moléculas energía, lo que las hace vibrar intensamente, necesitando entre ellas un espacio
mayor. El coeficiente medio de dilatación superficial es el aumento de su unidad de
superficie, al aumentar su temperatura en un grado. La letra griega gamma es la que lo
representa. La dilatación lineal (aumento de longitud) en un cuerpo alargado, es
proporcional al aumento de temperatura en pequeños intervalos La dilatación de los gases
es mucho mayor que la que sufren los líquidos o los sólidos.
En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada
átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la
amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o
molécula. Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con
ella la amplitud media del movimiento vibraciones (ya que la energía total será mayor tras
la absorción de calor). El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de
volumen del cuerpo.
En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción de calor aumenta la energía
cinética media de las moléculas lo cual hace que la presión sobre las paredes del recipiente
aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor medida del
comportamiento de las paredes.
4.4 Tipos de Dilatación
pág. 23
Dilatación Térmica
Cuando calentamos un cuerpo, aumentando su energía térmica, aumentamos el estado de
agitación de las moléculas que lo componen. Estas moléculas precisan de mayor espacio
y acaban alejándose unas de otras aumentando el volumen del cuerpo. Este fenómeno es
conocido como dilatación térmica. La dilatación térmica ocurre no solo cuando calentamos
un cuerpo, sino también cuando lo enfriamos.
Dilatación Térmica Lineal o Dilatación Lineal
En los cuerpos sólidos la dilatación ocurre en todas las direcciones, pero, esta dilatación
puede ser predominante en apenas una dirección y cuando esto sucede tenemos una
dilatación térmica lineal o apenas, dilatación lineal.
Dilatación Térmica superficial o Dilatación Superficial
En los cuerpos sólidos, la dilatación ocurre en todas las direcciones, pero esta dilatación
puede ser predominante en apenas dos direcciones y cuando esto sucede, tenemos una
dilatación térmica superficial o apenas dilatación superficial.
4.5 Formulas
Dilatación lineal
Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho,
largo o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación lineal, designada por αL, para una
dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de
dicha magnitud antes y después:
Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio
global y uniforme de temperatura a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la
dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:
pág. 24
Dónde:
α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]
L0 = Longitud inicial
Lf = Longitud final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final
Dilatación volumétrica
Dilatación y contracción volumétrica de un gas por variación de la temperatura.
Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por αV, se mide experimentalmente
comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de
temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:
Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación
volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto
puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un
pequeño prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento
uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones
lineales en cada dirección:
pág. 25
Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico
es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo
material.
Dilatación de área
Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma
proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un
incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica
un incremento de área.
El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de
determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado
centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de
dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de
un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:
Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área
final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:
Dónde:
γ=coeficiente de dilatación de área [°C-1]
A0 = Área inicial
Af = Área final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final
pág. 26
4.6 Ejercicio de Dilatación
1.- Los rieles de una vía de tren de acero, tienen 1500 m de longitud. ¿Qué longitud
tendrá cuando la temperatura aumente de 24°C a 45°C?
Datos:
–> Longitud Inicial
–> Longitud Final –> La vamos a encontrar
–> Temperatura Inicial
–> Temperatura Final
–> Coeficiente de dilatación lineal del Acero.
Hemos elegido acero, porque el problema nos pide que sean vías del ferrocarril de acero.
Lo único que haremos será sustituir nuestros datos, en la fórmula final.
Pero antes de sustituir, debemos saber cuál es el valor de la diferencial de temperatura,
para poder meterla en la fórmula, esa diferencial es la resta de la temperatura más alta, con
la temperatura más baja.
Ahora si, a sustituir en la fórmula.
pág. 27
CANTIDAD DE CALOR
5.1Concepto
Cuando una sustancia se está fundiendo o
evaporándose está absorbiendo cierta
cantidad de calor llamada calor latente de
fusión o calor latente de evaporación,
según el caso. El calor latente, cualquiera
que sea, se mantiene oculto, pero existe
aunque no se manifieste un incremento en
la temperatura, ya que mientras dure la
fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma.
Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor
y temperatura.
En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su
temperatura.
La experiencia ha demostrado que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un
cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de
temperatura que experimenta.
La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:
Q = m·Ce· (Tf-Ti)
En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se
calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor
específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final. Por lo tanto Tf – Ti
= ΔT (variación de temperatura).
Nota: La temperatura inicial (Ti) se anota también como T0 o como t0.
Si Ti > Tf el cuerpo cede calor Q < 0
pág. 28
Si Ti < Tf el cuerpo recibe calor Q > 0
Se define calor específico (Ce) como la cantidad de calor que hay que proporcionar
a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En
el caso particular del agua Ce vale 1 cal/gº C ó 4,186 J.
El calor específico puede deducirse de la ecuación anterior. Si se despeja Ce de
ella resulta:
Calor latente de fusión
Para que un sólido pase al estado líquido debe
absorber la energía necesaria a fin de destruir las
uniones entre sus moléculas. Por lo tanto, mientras
dura la fusión no aumenta la temperatura. Por ejemplo,
para fundir el hielo o congelar el agua sin cambio en la
temperatura, se requiere un intercambio de 80 calorías por gramo, o 80 kilocalorías
por kilogramo.
Si a 1 kg de hielo (a 0º C) le aplicamos 80 kcal obtendremos 1 kg de agua a 0º C.
El calor requerido para este cambio en el estado físico del agua sin que exista
variación en la temperatura recibe el nombre de calor latente de fusión o
simplemente calor de fusión del agua.
Esto significa que si sacamos de un congelador cuya temperatura es de –6° C un
pedazo de hielo de masa igual a 100 gramos y lo ponemos a la intemperie, el calor
existente en el ambiente elevará la temperatura del hielo, y al llegar a 0° C y seguir
recibiendo calor se comenzará a fundir.
pág. 29
A partir de ese momento todo el calor recibido servirá para que la masa de hielo se
transforme en agua líquida. Como requiere de 80 calorías por cada gramo (ver
cuadro), necesitará recibir 8.000 calorías del ambiente para fundirse
completamente. Cuando esto suceda, el agua se encontrará aún a 0° C y su
temperatura se incrementará sólo si se continúa recibiendo calor, hasta igualar su
temperatura con el ambiente.
Calor de fusión de cada sustancia
El calor de fusión es una propiedad característica de cada sustancia, pues según el
material de que esté hecho el sólido requerirá cierta cantidad de calor para fundirse.
Por definición: el calor latente de fusión de una sustancia es la cantidad de calor
que requiera ésta para cambiar 1 gramo de sólido a 1 gramo de líquido sin variar su
temperatura.
Los cálculos pertinentes se realizan utilizando las fórmulas:
Donde λf = calor latente de fusión en cal/gramo.
Q = calor suministrado en calorías.
m = masa de la sustancia en gramos.
En el cuadro siguiente se dan algunos valores del calor latente de fusión para
diferentes sustancias.
Sustancia λf en cal/gr.
Agua 80
Hierro 6
Cobre 42
Plata 21
Platino 27
pág. 30
Oro 16
Mercurio 2,8
Plomo 5,9
Calor latente de solidificación
Como lo contrario de la fusión es la solidificación o congelación, la cantidad de calor
requerida por una sustancia para fundirse, es la misma que cede cuando se
solidifica.
Por lo tanto, con respecto a una sustancia el
calor latente de fusión es igual al calor latente
de solidificación o congelación.
5.2 Ejercicio De Calor
Calcular la cantidad de calor que se requiere para transformar 100 gramos de hielo
que están a –15° C de temperatura en agua a 0° C.
Calor latente de
Fusión para el agua: 80 cal/g.
Desarrollo
Para que el hielo eleve su temperatura de –15° C hasta el punto de fusión a 0° C,
se necesita una cantidad de calor que se calcula con la ecuación
Q = m Ce ΔT.
pág. 31
Donde
Q = calor requerido (en calorías)
Ce = Calor específico (en cal/gº C)
ΔT = variación de temperatura o Tf – Ti (en grados C)
Q1 = 100 g x 0,50 cal/g° C x 15° C = 750 calorías.
Luego, para que el hielo se funda y se tenga agua a 0° C, se aplica la ecuación
Q = mλf (el calor latente de fusión para el agua, según el cuadro anterior, es 80
cal/g) entonces:
Q2 = 100 gr x 80 cal/gr = 8.000 cal
Así, el calor total requerido es:
Q1 + Q2 = 750 cal + 8.000 cal = 8.750 calorías.
Calor latente de vaporización
A una presión determinada todo líquido calentado hierve a una temperatura fija que
constituye su punto de ebullición. Este se mantiene constante independientemente
del calor suministrado al líquido, pues si se le aplica mayor cantidad de calor, habrá
mayor desprendimiento de burbujas sin cambio
en la temperatura del mismo.
Cuando se produce la ebullición se forman
abundantes burbujas en el seno del líquido, las
cuales suben a la superficie desprendiendo
vapor.
Si se continúa calentando un líquido en ebullición,
la temperatura ya no sube, esto provoca la
disminución de la cantidad del líquido y aumenta
la de vapor.
pág. 32
Al medir la temperatura del líquido en ebullición y la del vapor se observa que ambos
estados tienen la misma temperatura; es decir; coexisten en equilibrio
termodinámico.
A presión normal (1 atm = 760 mm de Hg), el agua
ebulle (hierve) y el vapor se condensa a 100° C, a
esta temperatura se le da el nombre de punto de
ebullición del agua. Si se desea que el agua pase de
líquido a vapor o viceversa sin variar su temperatura,
necesita un intercambio de 540 calorías por cada
gramo. Este calor necesario para cambiar de estado
sin variar de temperatura se llama calor latente de
vaporización del agua o simplemente calor de
vaporización.
Por definición el calor latente de vaporización de una sustancia es la cantidad de
calor que requiere para cambiar 1 gramo de líquido en ebullición a 1 gramo de vapor,
manteniendo constante su temperatura.
Los cálculos pertinentes se realizan utilizando las fórmulas:
Donde
λv = calor latente de vaporización en cal/g
Q = calor suministrado en calorías
m = masa de la sustancia en gramos.
Como lo contrario de la evaporación es la condensación, la cantidad de calor
requerida por una sustancia para evaporarse es igual a la que cede cuando se
pág. 33
condensa, por lo tanto, en ambos el calor latente de condensación es igual al calor
latente de vaporización para dicha sustancia.
En el cuadro siguiente se dan valores del calor latente de vaporización de algunas
sustancias.
Calor latente de vaporización de algunas sustancias
Sustancia λv en cal/gr
Agua 540
Nitrógeno 48
Helio 6
Aire 51
Mercurio 65
Alcohol etílico 204
Bromo 44
Ejercicio 2
Calcular la cantidad de calor que se requiere para cambiar 100 gramos de hielo a –
0° C en vapor a 130° C.
Desarrollo
Para que el hielo eleve su temperatura de –10° C hasta el punto de fusión a 0° C
necesita una cantidad de calor igual a:
Q1 = m CeΔT = 100 g x 0, 50 cal/g° C x 10° C = 500 cal.
En seguida, para calcular el calor que se requiere para que el hielo se funda y se
tenga agua a 0° C, se aplica la ecuación
Q = mλf.
Q2 = 100 g x 80 cal/g = 8.000 cal.
pág. 34
CONCLUSION
En conclusión esta investigación conocimos los temas de “Termología,
Temperatura, Calor, Escalas termométricas y dilatación, y por ultimo
Cantidad de calor”, donde obtuvimos una retroalimentación, donde conocí mas
fondo cada uno de los conceptos, teniendo en cuenta las fórmulas y conociendo
algunos ejercicios para saber el procedimiento que se hace para desarrollar cada
uno de los problemas relacionados al tema.
En la termología aprendí que es la parte de la física que tiene como objetivo
estudiar el calor y sus efectos sobre la materia. Es decir que la termología es el
estudio de la temperatura que presentan los cuerpos que nos rodea ya que puede
ser frio o caliente, La temperatura es una magnitud física que refleja la cantidad
de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Esta magnitud está
vinculada a la noción de frío o calor es decir cuando está un cuerpo frio (menor
temperatura) y si un cuerpo está caliente es porque tiene (mayor temperatura). El
calor es aquella energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a
otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras
partículas, así también aprendí que el calor puede transferirse de distinta forma
como es Conducción térmica, Convección térmica y Radiación térmica. En lo que
es las escalas termométricas entendí que es el que nos sirve para medir
temperaturas, pero existen varias escalas que los expresa en diferente unidad
como es grados centígrados, entre otros pero tres de los más utilizados es la
escala de Kelvin, Escala Fahrenheit, Escala Celsius. La dilatación es cuando
aumento un cuerpo en su volumen, éste se hace más grande (más largo o ancho,
o ambas cosas).
La cantidad de calor es cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose
está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor
latente de evaporación. Gracias a esta información obtenida nos da un gran
aprendizaje ya que al conocer estos temas nosotros podemos ver que alrededor se
aplica estos conceptos y lo ponemos en práctica muchas veces.
pág. 35
BIBLIOGRAFAS
https://www.google.com.mx/?gfe_rd=cr&ei=a39WVq_9BYmn
8wfQjI3QBA&gws_rd=ssl#q=concepto+de+termologia
https://www.google.com.mx/?gfe_rd=cr&ei=a39WVq_9BYmn
8wfQjI3QBA&gws_rd=ssl#q=concepto+de+temperatura
https://www.google.com.mx/?gfe_rd=cr&ei=a39WVq_9BYmn
8wfQjI3QBA&gws_rd=ssl#q=concepto+de+calor
https://www.google.com.mx/?gfe_rd=cr&ei=a39WVq_9BYmn
8wfQjI3QBA&gws_rd=ssl#q=concepto+de+%E2%80%A2%09
ESCALAS+TERMOMETRICAS+Y+DILATACION
https://www.google.com.mx/?gfe_rd=cr&ei=a39WVq_9BYmn
8wfQjI3QBA&gws_rd=ssl#q=concepto+de+cantidad+de+calo
r