es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x (o λ) es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica

Transcripción

1 Contenidos Trabajo Física electiva Cuarto medio PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El calor (Q) es la energía transferida de un cuerpo a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido comúnmente a una diferencia de temperatura entre ellos. La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es la misma que la de la energía y el trabajo: el joule. La conducción de calor es un mecanismo de traspaso de energía térmica entre dos sistemas en el cual existe el contacto directo de sus partículas que procura igualar la temperatura dentro de uno o varios cuerpos que se encuentren en contacto a cuerpo, a través de ondas. La conductividad térmica, una propiedad física que mide el potencial de conducción de calor o la facultad que posee una substancia de trasladar el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas contiguas o a otras substancias con las que está en contacto. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección. Donde: es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x (o λ) es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica es la temperatura. el tiempo. La convección se origina gracias a la presencia de un fluido (por ejemplo: agua) que traslada el calor entre áreas con temperaturas desiguales. Convección es el

2 transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido. La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton: Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), A s es el área del cuerpo en contacto con el fluido, T s es la temperatura en la superficie del cuerpo y T inf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo. Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas. Mientras que en la conducción y la convección era precisa la existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire. Radiación puede ser el proceso dominante para cuerpos relativamente aislados del entorno o para muy altas temperaturas. Así un cuerpo muy caliente como norma general emitirá gran cantidad de ondas electromagnéticas. donde P es la potencia radiada. α es un coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, α = 1 para un cuerpo negro perfecto. S es el área de la superficie que radia. σ es la constante de Stefan-Boltzmann con un valor de 5, W/m²K 4 T es la temperatura absoluta La capacidad térmica, también denominada capacidad calorífica, es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. Donde; Q; es el calor absorbido por el sistema

3 ΔT; es la variación de temperatura Calor Específico Puesto que la capacidad calorífica de una sustancia es la relación entre el calor recibido y su variación de temperatura; si calentamos diferentes masas de una misma sustancia, observaremos que su capacidad calorífica es distinta. Por ejemplo, al calentar dos trozos de hierro, uno de 2 kg y otro de 10 kg, la relación ΔQ/ΔT = C es diferente entre los dos trozos, aunque se trata de la misma sustancia. Pero si dividimos el valor de la capacidad calorífica de cada trozo de hierro entre su masa, encontraremos que la relación: capacidad calorífica/masa, o bien C/m para cada trozo es la misma. De donde para un mismo material independientemente de su masa C/m = constante. A esta relación se le nombra calor específico y es una propiedad característica de la materia. Por definición: el calor específico Ce de una sustancia es igual a la capacidad calorífica C de dicha sustancia entre su masa m: Ce = C/m, como C = ΔQ/ΔT, Ce = ΔQ/mΔT Por lo tanto Q = m Ce ΔT. En términos prácticos, el calor específico se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius. En el caso del agua, su valor es de 1 cal/g C, esto quiere decir que un gramo de agua aumenta su temperatura un grado Celsius cuando se le suministra una cantidad de calor igual a una caloría. La cantidad de calor (cedido o absorbido) por un cuerpo depende del incremento de la temperatura, de su masa y de su propia naturaleza. La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud física llamada Calor Específico La fórmula que nos relaciona el Calor cedido o absorbido con los tres factores citados es: Q = m c t = m c (t f - t 0) Q: Calor => Si m se mide en gramos, Q vendrá dado en calorías Si m se mide en Kilogramos, Q vendrá dado en Kilocalorías (Kcal) c: Calor específico t f: Temperatura final t 0: Temperatura inicial La ley de la conservación de la energía dice que si en un sistema con una determinada energía interna, se realiza un determinado trabajo, la energía interna

4 del sistema variará. A la diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de energía se le denomina calor. Fue propuesto por Lavoisier. La energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de: la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades. Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada más, aumenta su energía interna reflejado en el aumento del calor del sistema completo o de la materia estudiada. Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna manifestada en la variación del calor que puede ser cedido, mantenido o absorbido se puede medir este cambio en la energía interna indirectamente por la: variación de la temperatura de la materia; 1.- Sin que se modifique la composición química o cambio de estado de la materia que compone el sistema, se habla de variación de la energía interna sensible y se puede calcular de acuerdo a los siguientes parámetros; Donde cada término con sus unidades en el Sistema Internacional son: Q = es la variación de energía o de calor del sistema en un tiempo definido (J). Ce = calor específico de la materia (J / kg K). m = masa. = temperatura final del sistema - temperatura inicial (K). SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Una máquina de vapor (Watt) es un motor de combustión externa que convierte la energía térmica del agua en energía mecánica. Esencialmente, el tiempo de trabajo se realiza en dos etapas: 1) Se crea vapor de agua a través del calentamiento en una caldera cerrada, lo cual causa la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. A través

5 un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. 2) El vapor a presión es controlado por razón de una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. El motor o máquina de vapor fue utilizada durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotores, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor ha sido desplazada por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte. Un motor de explosión es un tipo de motor de combustión interna que utiliza la explosión de un combustible, provocada mediante una chispa, para expandir un gas empujando así un pistón. Hay de dos y de cuatro tiempos. El ciclo termodinámico utilizado es conocido como Ciclo Otto. Este motor, también llamado motor de gasolina o motor Otto, es junto al motor diesel, el más utilizado hoy en día Eficiencia de una maquina térmica: La eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energía que se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura (costo del combustible) la eficiencia térmica se define como: ðtérmica = W (Energía que se busca) = Qh - Ql = 1 - Ql Qh (Energía que cuesta) Qh Qh La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio refrigerado.

6 La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es: ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1 W ( Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql - 1 En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es: ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1 W (Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh El ciclo de Carnot se origina cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q 1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q 2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por: Y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Como todos los procesos que tienen parte en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces, la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que proporcionar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica o congeladora, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor. El refrigerador funciona en base a un sistema cerrado de procesos, que opera gracias a un gas refrigerante. Este circuito, a grandes rasgos, consta de dos procesos, uno de compresión y otro de descompresión del gas, que lo hacen pasar de estado gaseoso a líquido y viceversa. Por medio de estos dos procesos, el refrigerador es capaz de generar frío para su interior y liberar el calor a través de la rejilla con que cuenta en la parte posterior, que también se denomina condensador. Para poder controlar estos procesos, los refrigeradores cuentan con

7 un sistema de termostato para regular el frío de su interior, que controla el proceso de compresión del gas refrigerante. Un refrigerador es una máquina de calor que funciona a la inversa. Esto es: Absorbe calor de un depósito a temperatura T c y libera calor a un depósito a mayor temperatura T h. Para lograr esto debe hacerse un trabajo W sobre el sistema. La experiencia muestra que esto es imposible hacerlo con W=0. Se define la eficiencia de un refrigerador como: Donde Q c es el calor extraído del depósito frío y W es el trabajo hecho por el refrigerador.