TEMA 3: Temperatura y calor. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 1
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- Laura Luna Ayala
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1 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 1
2 Pues bien: como dije, yo movería esa gran mole de mi invención por medio del A que no lo adivina usted?... Por medio del vapor de agua. Para esto se construiría una máquina singular, donde el vapor, comprimido y dilatado, alternativamente, dentro de dos cilindros, pusiera en movimiento unas ruedas, pues Episodios Nacionales. Primera serie. Trafalgar. Benito Pérez Galdós. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 2
3 3.1 Introducción 3.2 Objetivos y características de la Termodinámica 3.3 Temperatura Variables y escalas termométricas 3.4 Dilatación térmica de sólidos y líquidos Dilatación lineal Dilatación superficial Dilatación cúbica 3.5 Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal Esfuerzos térmicos en la dilatación volumétrica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 3
4 3.6 Calor Julio y caloría 3.7 Calorimetría Calor específico y capacidad calorífica Cambios de fase. Calor latente 3.8 Mecanismos de transmisión del calor Conducción térmica Convección térmica Radiación térmica 3.9 Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier Conducción a través de una pared plana sin pérdidas laterales Conducción a través de un tubo cilíndrico Resistencia térmica y asociaciones de conductores 3.10 Intercambio de calor entre sólidos y fluidos en contacto 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 4
5 3.1 INTRODUCCIÓN 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 5
6 3.2 OBJETIVOS Y CARACTERÍSTICAS DE LA TERMODINÁMICA 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 6
7 3.2.Objetivos y características de la termodinámica Termodinámica: rama de la Física que se ocupa de las transformaciones energéticas y, en particular, de los procesos en que intervienen calor y temperatura. Principios, postulados o axiomas que se basan en la experiencia. Punto de vista macroscópico. Sistemas descritos por sus variables termodinámicas. Por ejemplo en un gas: m, p, V, T Estados de equilibrio. Transformaciones como serie continua de equilibrios. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 7
8 3.3 TEMPERATURA 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 8
9 3.3. Temperatura TEMA 3: Temperatura y calor A p A, V A B p B, V B 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 9
10 3.3. Temperatura TEMA 3: Temperatura y calor A p A (t), V A (t) B p B (t), V B (t) Pared diatérmica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 10
11 3.3. Temperatura TEMA 3: Temperatura y calor Equilibrio térmico: Las variables termodinámicas permanecen inalterables en el tiempo. A P, V B P, V 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 11
12 3.3. Temperatura TEMA 3: Temperatura y calor Cuando dos sistemas alcanzan el equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. A P, V B P, V 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 12
13 3.3. Temperatura TEMA 3: Temperatura y calor A B La temperatura de un sistema es, por tanto, la propiedad termodinámica que determina si un sistema se encuentra en equilibrio térmico con otros sistemas. C 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 13
14 3.3. Temperatura Variables y escalas termométricas variable termométrica: longitud de una columna de mercurio, alcohol, etc. Escalas termométricas Escala centígrada o Celsius: (puntos fijos) punto de fusión del hielo puro a 1atm de presión: 0º C. punto de ebullición del agua a 1 atm de presión: 100º C. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 14
15 3.3. Temperatura Variables y escalas termométricas Anders Celsius. (1701, Upsala, Suecia 1744, Upsala, Suecia) 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 15
16 3.3. Temperatura Variables y escalas termométricas T (K) T ( o C) 273,15 T 1K 1 o C 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 16
17 3.3. Temperatura Variables y escalas termométricas William Thomson, Lord Kelvin (1824, Belfast, Irlanda 1907, Largs, Ayrshire, Escocia) 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 17
18 3.4 DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 18
19 3.4. Dilatación térmica de sólidos y líquidos Dilatación lineal l l T 0 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 19
20 3.4. Dilatación térmica de sólidos y líquidos Dilatación superficial S 2 S T 0 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 20
21 3.4. Dilatación térmica de sólidos y líquidos Dilatación cúbica. V 3 V T 0 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 21
22 3.4. Dilatación térmica de sólidos y líquidos 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 22
23 3.4. Dilatación térmica de sólidos y líquidos Excepción: agua, antimonio o bismuto. H /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 23
24 Ejercicio resuelto: 3.1 Ejercicio propuesto: Cuestión: 3.1, 3.2, /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 24
25 3.5 ESFUERZOS TÉRMICOS 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 25
26 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 26
27 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 27
28 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal 1 F l l0 E S l l T 0 F S E T 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 28
29 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 29
30 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación lineal Thomas Young (Milverton, Somerset, Londres 1829) 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 30
31 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación volumétrica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 31
32 3.5. Esfuerzos térmicos Esfuerzos térmicos en la dilatación volumétrica 1 V V0 p B V 3 V T 0 p 3 B T 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 32
33 Ejercicio resuelto: 3.2 Ejercicio propuesto: 3.1, 3.2 Cuestión: 3.4, /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 33
34 3.6 CALOR 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 34
35 3.6. Calor 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 35
36 3.6. Calor 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 36
37 3.6. Calor Calor: Transferencia de energía que se produce en virtud de la diferencia de temperaturas. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 37
38 3.6. Calor Julio y Caloría TEMA 3: Temperatura y calor Caloría: energía térmica necesaria para elevar 1 0 C la temperatura de un gramo de agua de C a C a 1 atm de presión. 1 cal = J 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 38
39 3.7 CALORÍMETRÍA 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 39
40 3.7. Calorimetría Calor específico y capacidad calorífica Q mc dt x c x : calor específico a x constante c P c V J / kgk C x mc x J / K C x : capacidad calorífica a x constante 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 40
41 3.7. Calorimetría Calor específico y capacidad calorífica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 41
42 3.7. Calorimetría Calor específico y capacidad calorífica Si el calor específico es constante con la temperatura: Q mc ( T T ) x 2 1 C ( T T ) x /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 42
43 3.7. Calorimetría Calor específico y capacidad calorífica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 43
44 3.7. Calorimetría Cambios de fase. Calor latente Fase: sistema o subsistema de composición química y estructura homogénea limitado por una pared a través de la cual las propiedades físicas cambian bruscamente. Según su estructura interna: Homogéneos: Consta de una sola fase. (fase vapor) (fase hielo) Heterogéneos: Consta de varias fases. L f L V (fase agua) 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 44
45 3.7. Calorimetría Cambios de fase. Calor latente L f L V 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 45
46 3.7. Calorimetría Cambios de fase. Calor latente Los cambios de fase llevan aparejado un intercambio de calor sin que varíe la temperatura del sistema. Q Lm L f L: calor latente J / kg L V 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 46
47 3.7. Calorimetría Cambios de fase. Calor latente 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 47
48 3.7. Calorimetría TEMA 3: Temperatura y calor Ejercicio resuelto: 3.3 Ejercicio propuesto: 3.3 Cuestión: 3.6, 3.7, /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 48
49 3.8 MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 49
50 3.8. Mecanismos de transmisión del calor Conducción térmica Conducción térmica: La transmisión del calor por conducción térmica entre dos cuerpos requiere el contacto directo entre éstos y tiene lugar sin que haya transporte de masa. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 50
51 3.8. Mecanismos de transmisión del calor Convección térmica Convección térmica: Se da exclusivamente en los fluidos y existe transporte macroscópico de masa fluida. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 51
52 3.8. Mecanismos de transmisión del calor Convección térmica Convección térmica: Se da exclusivamente en los fluidos y existe transporte macroscópico de masa fluida. Ejemplo: Muro de Trombe 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 52
53 3.8. Mecanismos de transmisión del calor Radiación térmica Radiación térmica: Todo cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto emite (absorbe) energía electromagnética. No necesita un medio material. 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 53
54 3.8. Mecanismos de transmisión del calor 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 54
55 4.2. Calorimetría TEMA 3: Temperatura y calor Ejercicio resuelto: Ejercicio propuesto: Cuestión: /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 55
56 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 56
57 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier dt Potencia calorífica o flujo de calor S Q Q dq dt J/s = W dx 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 57
58 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier Q dt ks dx Ley de Fourier. S dt dx Gradiente de temperatura k Coeficiente de conductividad térmica W / mk dx k 1 Resistividad térmica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 58
59 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 59
60 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Ley de Fourier 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 60
61 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Conducción a través de una pared plana sin pérdidas laterales Estado estacionario T Q T ( t) cte Q T T d / ks /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 61
62 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Conducción a través de un tubo cilíndrico Estado estacionario Q T1 T2 1 r ln 2 Lk r /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 62
63 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores V 2 I V1 V2 V1 Ley de Ohm I V V R /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 63
64 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores I V V R 1 2 Q T T R /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 64
65 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores Q T T R 1 2 R resistencia térmica K / W 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 65
66 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores Q T T d / ks 1 2 Q T1 T2 1 r ln 2 Lk r /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 66
67 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores R d ks 1 r ln 2 Lk r 2 R 1 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 67
68 4.2. Calorimetría TEMA 3: Temperatura y calor Ejercicio resuelto: Ejercicio propuesto: Cuestión: /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 68
69 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores Serie: Q T T R 0 2 eq R eq N R i 1 i 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 69
70 Paralelo: TEMA 3: Temperatura y calor 3.9. Transmisión del calor por conducción en paredes y tuberías Resistencia térmica y asociación de conductores Q T I R eq T D N 1 1 R eq i 1 R i 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 70
71 3.10. Intercambio de calor entre sólidos y fluidos en contacto Capa límite térmica 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 71
72 3.10. Intercambio de calor entre sólidos y fluidos en contacto Q Factores que influyen en la convección son muy diversos, los más relevantes son: la forma de la superficie sólida, la orientación (horizontal, vertical, oblicua) de dicha superficie, la ubicación de la superficie (techo, suelo, etc.), la naturaleza del fluido (densidad, viscosidad, si se trata de un líquido o un gas, etc.), la velocidad de dicho fluido, el calor específico y la conductividad térmica de las sustancias implicadas, y el que tengan o no lugar determinados procesos, como la evaporación, condensación o formación de películas de fluido sobre la superficie sólida. Q S( T T ) p f : coeficiente de convección o de película 2 W / m K 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 72
73 4.2. Calorimetría TEMA 3: Temperatura y calor 27/11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 73
74 4.2. Calorimetría TEMA 3: Temperatura y calor Ejercicio resuelto: 3.4, 3.5 Ejercicio propuesto: 3.4 al 3.16 Cuestión: 3.9, 3.12, /11/2017 Departamento de Física Aplicada II. Miguel Galindo del Pozo 74
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