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Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas

Ingeniería en Aviación Comercial Eduardo Barriga SchneebergerTermodinámica

Clase 5. Naturaleza del Calor

NATURALEZA DEL CALOR

Trabajo de grupo. Explicar el funcionamiento de una locomotora de vapor.




• Temperatura

• Dilatación de los cuerpos

• Cantidad de calor

• Transmisión del calor

• Naturaleza del calor

• Cambios de estado

• Primer Principio de la Termodinámica

• Los gases perfectos

• Los gases reales

• Segundo principo de la termodinámica

• Máquinas térmicas

TRANSMISIÓN DEL CALOR




NATURALEZA DEL CALORCALOR Y TRABAJO MECÁNICO

EL TRABAJO PUEDE TRANSFORMARSE EN CALOR.EL CALOR PUEDE TRANSFORMARSE EN TRABAJO.

1. Si se dobla repetidamente un alambre este se calienta.

2. Cuando un auto frena, el sistema de frenado se calienta.

Trabajo Calor

1. Cuando se calienta agua en una tetera, la tapa se mueve.

2. Una locomotora se mueve gracias al calor que entrega la caldera al agua.

Calor Trabajo




NATURALEZA DEL CALORTRABAJO NECESARIO PARA PRODUCIR UNA CANTIDAD DE CALOR

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

Las pesas que se mueven con velocidad prácticamente constante, pierden energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción. Si los bloque de masa m desciende una altura h, la energía potencial disminuye en 2mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.

1 cal = 4.186 J




NATURALEZA DEL CALORTRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN

Un líquido hierve en un cilindro cerrado. El émbolo tiene peso despreciable, no tiene roce y se halla perfectamente ajustado a la pared del cilindro. En estas condiciones, la presión que se ejerce sobre el contenido del cilindro es igual a la presión atmosférica.

En (a) el cilindro tiene un masa m de un líquido en su punto de ebullición, con el émbolo apoyado directamente sobre la superficie líquida.

En (b) se ha suministrado calor al líquido que está hirviendo a temperatura constante. El vapor procedente del líquido fuerza el émbolo contra la presión atmosférica.

En (c) ha terminado la ebullición del líquido y el cilindro contiene una masa m de sustancia en forma de vapor. El calor suministrado durante le proceso es igual al producto de la masa por el calor de vaporización, mL.





El principio de conservación de la energía dice que cuando se realiza trabajo sobre un cuerpo debe tenerse en cuenta todo el trabajo efectuado, sea en una forma o en otra. En este caso el calor suministrado es mL.

Durante la ebullición se ha realizado trabajo mecánico, puesto que el vapor ha ejercido una fuerza F contra la superficie del émbolo, y éste se ha desplazado una distancia s. La cantidad de trabajo será :

W = F x S

Este trabajo sólo puede proceder de la cantidad mL de calor suministrado; luego, no todo el calor ha sido absorbido por el vapor. El trabajo W se denomina trabajo externo o parte externa del calor de vaporización. El resto del calor se dice que ha aumentado la energía interna de la sustancia.





Sea U la energía interna de un cuerpo. Si UV es la energía interna del vapor, y UL la del líquido, el incremento de energía interna será UV – UL.

Estableciendo el balance de energía se tiene:

mL = (UV – UL) + W

Es decir, el calor suministrado es igual al incremento de energía interna más el trabajo exterior.

Sea A la superficie del émbolo, la fuerza aplicada será:

F = pA

y el trabajo realizado es:

W = Fs = pAs

As es el incremento de volumen, el que puede escribirse VV – VL, siendo VV el volumen de vapor y VL el del líquido. Luego:

W = p(VV – VL)

Y finalmente:

mL = (UV – UL) + p(VV – VL)

Atención a las unidades cuando se utiliza esta ecuación.





La expresión de trabajo externo, W = p(VV – VL), se ha deducido para el caso especial de ebullición a presión constante.

Si la presión varía durante la expansión, el trabajo realizado para conseguir un pequeño aumento de volumen dV es: dW = pdV

Si el volumen pasa de A a B:

Si la temperatura T se mantiene constante en el proceso:

B

A

V

VpdVW

B

A

V

VdV

V

nRTW

B

A

V

V V

dVnRTW

A

B

V

VnRTW ln





Problema 1. Un gramo de agua (1 cm3) se transforma en 1,671 cm3 de vapor cuando hierve a una presión de 1 atm. El calor de vaporización correspondiente a esta presión es de 539 cal/g. Calcular el trabajo exterior y el incremento de energía interna.

Trabajo externo = p(VV – VL)

= 1.013 x 106 (1671 -1)

= 1.695 x 109 ergs

= 169.5 julios

= 41 cal





Problema 2. Un mol de oxígeno (se asume gas ideal)se expande a temperatura constante T de 310 K de un volumen inicial de 12 lt a un volumen final de 19 lt. ¿Cuánto trabajo se realiza por la expansión de los gases?

Trabajo externo = nRT ln VB/VA

= (1 mol) (8.31 J/mol K) (310 K) ln 19 lt/12 lt

= 1,180 julios

= 281.9 cal





VariablesSolución





VariablesSolución 1

Solución 2





Variables Solución





Variables





Solución

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