Termodinámica. Que es energía térmica y Calor? Como se transfiere la energía térmica? Que pasa cuando algo se calienta?

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1 Woodstoves 1 Estufas de Calefacción Woodstoves 2 Termodinámica Estufas de Calefacción: Fogatas super eficientes que se pueden usar dentro de una habitación Que es calor y temperatura? Por que sentimos frio en la espalda? Por qué es tan caliente sobre la estufa o fogata? Por qué se puede agarrar un atizador sin quemarse? Woodstoves 3 Woodstoves 4 IDEAS Calor y temperatura Convección, Conducción, Radiación Calor específico TEMAS Que es energía térmica y Calor? Como se transfiere la energía térmica? Que pasa cuando algo se calienta? Woodstoves 5 Temperatura Woodstoves 6 supernova core 100,000,000,000 K lava 1,200 K core of sun 15,000,000 K surface of sun 6,000 K Room temperature 294 K Gas Caliente Gas Frío Que es la temperatura? Una medida de la energía térmica? 1848 William Thomson a.k.a. Lord Kelvin 0 K absolute zero triple point cell K ice 273 K dry ice 164 K liquid nitrogen 77 K liquid He Universe 4 K 2.7 K dilution refrigerator K 1

2 Woodstoves 7 Woodstoves 8 Energía Térmica Es energía desordenada Dá lugar a la temperatura Es realmente la energía cinética y potencial de las particulas que constituyen un cuerpo No incluye energías ordenadas : La energía Cinética de un cuerpo que se desplaza o rota. La energia potencial debida a interacciones externas. Woodstoves 9 La Temperatura calor Sólo nos dice en que sentido fluirá el calor! Woodstoves 10 Calor Es la energía que fluye entre objetos debido a su diferencia de temperatura El Calor es energía térmica que está siendo transferida Tecnicamente: Los cuerpos no contienen calor Woodstoves 11 Calor y Temperatura Poner dos cuerpos en contacto causa un intercambio de energía térmica Microscopicamente, la energía fluye en ambos sentidos En promedio, la energía fluye en un solo sentido La Temperatura predice la dirección del flujo de energía La energía fluye del cuerpo más caliente al más frío Si no hay flujo de energía, los cuerpos estan en equilibrio térmico (tienen la misma temperatura). Woodstoves 12 2

3 Woodstoves 13 Pregunta: Que pasa cuando toco una varilla de cobre que está en un termo lleno de nitrogeno líquido? Woodstoves 14 Pregunta Como produce energía térmica una estufa de calefacción? Calor Frío Calor (A) (B) (C) Woodstoves 15 Quemando Madera Woodstoves 16 Fuerzas Químicas y Enlaces El fuego libera energía potencial química La madera y el aire estan compuestos por átomos y moléculas Las Moleculas están unidas por enlaces químicos Cuando los enlaces se rearreglan, pueden liberar energía Quemar rearregla enlaces y libera energía! Los átomos interactúan mediante fuerzas electromagnéticas Las fuerzas químicas entre dos átomos son Atractivas a distancias grandes Repulsivas a distancias pequeñas Cero a una separación específica de equilibrio Los átomos a la separación de equilibrio Están en equilibrio estable Y están unidos por un déficit de energía Woodstoves 17 Woodstoves 18 Unos Pocos Nombres Molécula: átomos unidos por enlaces químicos Enlace Químico: Una unión debida a una fuerza química Intensidad del enlace: el trabajo necesario para romper el enlace Reactivos: moléculas iniciales Productos de la Reacción: moléculas finales 3

4 Woodstoves 19 Reacciones Químicas Woodstoves 20 Cuando la Madera Arde Romper enlaces existentes requiere trabajo Formar nuevos enlaces requiere trabajo Si los nuevos enlaces son mas intensos que los iniciales, Energía potencial química Energía térmica Romper los enlaces existentes requiere energía La reacción requiere una energía de activación para iniciarse Cuando se quema madera, Los reactivos son carbohidratos y oxígeno Los productos de la reacción son agua y dioxido de carbono La energía de activación proviene de un fósforo encendido Esta reacción libera energía como energía térmica Woodstoves 21 TEMAS Que es energía térmica y Calor? Como se transfiere la energía térmica? Que pasa cuando algo se calienta? Woodstoves 22 Como calentar la casa usando fuego? Fogata Chimenea Tiene serios problemas Ventajas: El humo sale de la casa, la casa no se incendia, hay flujo de calor a la habitación Desventaja: Saca aire caliente de la habitación Woodstoves 23 Estufa de Calefacción Ventajas: Fluye calor a la habitación El humo sale de la casa El flujo de aire está controlado Woodstoves 24 Mecanismos de transferencia del Calor Una estufa de calefacción es un intercabiador de Calor Transfiere calor sin transferir humo La mayor parte del calor es transferido al cuarto 4

5 Woodstoves 25 Mecanismos de transferencia de Calor Conducción: El calor fluye a traves de un material Convección: El calor fluye mediante fluidos en movimiento Radiación: El calor fluye a través de la luz Los tres transfieren calor de caliente a frío Woodstoves 26 Conducción Cu + Cu+ Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Cu + Woodstoves 27 Conducción El calor fluye por el material, los átomos nó! En un aislante: Los átomos adyacentes vibran empujandose levemente Los átomos realizan trabajo, dando lugar a intercambios microscópicos de energía (típicamente lento) En un conductor, El calor es portado por electrones El calor fluye rápidamente sobre distancias grandes Woodstoves 28 Convección Woodstoves 29 Convección Un fluido transporta el calor (la energía térmica está contenida en sus átomos) El fluido se calienta cerca a un cuerpo caliente El fluido se enfría cerca a un cuerpo frío La flotabilidad de los cuerpos gobierna la convección El fluido calentado se eleva desde el cuerpo caliente El fluido enfriado desciende desde el cuerpo frío Woodstoves 30 Radiación El calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas(radio, infrarojo, microondas, luz, ) Mayor temperatura produce mayor calor irradiado Radiación Infraroja 5

6 Woodstoves 31 Estufas de Calefacción Conducción Transfiere calor por las paredes metálicas de la estufa Convección Circula aire caliente por la habitación Radiación Transfiere calor directamente como luz Woodstoves 32 La Radiación El calor fluye por ondas electromagnéticas (ondas de radio, microondas, luz, ) Los tipos de ondas dependen de la temperatura frio: ondas de radio, microondas, luz infraroja caliente: infrarojo, visible, y luz ultravioleta Mayor temperatura Mas calor Irradiado El negro emite y absorbe mejor Woodstoves 33 Ley de StefanBoltzmann Woodstoves 34 El Efecto invernadero La cantidad de calor radiado por una superficie es power = emissivity StefanBoltzmann constant temperature Donde emissividad es eficiencia de emisión Emissividad 0 es la peor eficiencia: blanco, brillante, o claro 1 es la mejor eficiencia: negro La radiación transfiere calor como luz 4 surface area Click me (Simulación PHET) Woodstoves 35 TEMAS Que es energía térmica y Calor? Como se transfiere la energía térmica? Que pasa cuando algo se calienta? Woodstoves 36 Calor Específico El calor requerido para elevar la temperatura de un Kg de material 1 grado Celsius Propiedad del material El agua tiene un calor específico muy alto! 4190 J kg K 4 veces más que el aluminio 6

7 Woodstoves 37 Woodstoves 38 Por eso las bolsas de agua duran tanto rato calientes cool hot Woodstoves 39 Pregunta Cúal será el mejor termo? (A)Interior negro, espacioentre el vaso y la cubierta exterior lleno de aire (B) Interior negro, Espacio vacío (C) Interior brillante, espacio lleno de gas (D) Interior brillante, espacio vacío 7