2014 FÍSICA Diseño de Interiores y Mobiliario P R O F. I NG. C E C I L I A A R I A G N O I NG. D A N I E L M O R E N O Unidad Nº 4 : Fenómenos térmicos Introducción: Temperatura, calor, energía interna, transferencia, transmisión son conceptos básicos de la física térmica. Conocer cómo se relacionan y afectan a la materia es uno de los objetivos de esta unidad. ENERGÍA TÉRMICA Y TEMPERATURA Teoría Cinético-molecular: Las moléculas de todos los cuerpos están en permanente movimiento. La energía térmica del cuerpo se asocia a la energía cinética de las partículas que lo componen. A mayor velocidad de las partículas mayor es la energía térmica del cuerpo. La temperatura está directamente relacionada con la energía térmica de un cuerpo, es una magnitud escalar macroscópica. Cuanto mayor es la temperatura mayor velocidad tendrán sus partículas y mayor será la energía cinética de traslación, rotación y vibración. Las partículas en los sólidos sólo pueden vibrar en torno de un centro, mientras que en los gases se mueven casi con total libertad. El termómetro es el instrumento más usado para medir la temperatura. El termómetro, en contacto con el cuerpo, llegará a un equilibrio térmico con él. En ese momento el termómetro tendrá la misma temperatura que el cuerpo. Según la temperatura que tenga el termómetro, el líquido de su interior alcanzará una altura mayor o menor. Escalas de temperatura: Como cualquier otra magnitud, la temperatura se puede medir utilizando diferentes tipos de unidades y escalas. La escala más utilizada es la Celsius [ºC] La escala del Sistema Internacional es la escala absoluta o Kelvin y la unidad el Kelvin [K] En los países anglosajones se emplea habitualmente la escala Fahrenheit, y su unidad es el [ºF]. Otra escala es la Réaumur (casi en desuso) y su unidad el [ºR] 1
Nota: Un físico inglés conocido como Lord Kelvin (1824-1907), definió una escala de temperaturas que denominó escala absoluta queriendo significar con ello una absoluta independencia de la clase de sustancia termométrica que se empleara. En esta escala se utiliza como extremo inferior la temperatura más baja que puede existir, y se la denomina cero Kelvin o cero absoluto (0 K). Como la temperatura mide la intensidad de movimiento de átomos y moléculas, el cero absoluto corresponde a un estado en el cual los átomos y moléculas de ciertos gases perfectos están casi quietos, las sustancias ya no tienen energía cinética que ceder. (A esta temperatura se llegó por aproximación, no pudo lograrse experimentalmente). La temperatura del cero absoluto corresponde a 273 C. Esta escala de temperatura se conoce con el nombre de escala Kelvin o termodinámica de temperaturas. En ella cada grado tiene el mismo tamaño que el de la escala centígrada y todas las temperaturas en esta escala son positivas. El CALOR El calor es una energía en tránsito que viaja desde los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura. Un cuerpo perderá energía interna y bajará su temperatura y que otro la subirá, hasta que se igualen, momento en que cesará el flujo. El término calor sólo debe emplearse para designar la energía en transición, es decir, lo que se transfiere de un cuerpo a otro originando un aumento en la energía de agitación de sus moléculas y átomos. Por lo tanto, no se puede decir que un cuerpo tiene calor o que la temperatura es la medida del calor de un cuerpo ya que lo que un sistema material posee es Energía Interna y cuanto mayor sea su temperatura mayor será también dicha energía interna. Cuando a un sólido se le da calor, aumenta la energía térmica de sus partículas y éstas vibrarán con más velocidad. Cuando su velocidad es lo suficientemente grande ya no pueden mantenerse juntas y se separan. Así el sólido va pasando a estado líquido o gaseoso. Lo contrario pasa cuando un gas pierde calor, sus partículas pierden energía y pueden terminar juntándose dando lugar a sólidos o líquidos. Para aumentar o disminuir la temperatura de un cuerpo, hay que darle o quitarle calor. Esa cantidad dependerá de la masa del cuerpo (a más masa, mayor calor) y de su naturaleza (algunas sustancias se calientan con más facilidad que otras). Unidades de calor Como el calor es una forma de energía, se mide en unidades energéticas. Entonces en el S.I. mediremos el calor en joule [J]. Pero en la práctica actual se emplea aún otra medida de calor muy antigua, la cual recibe el nombre de caloría (cal). Por definición una cal. es la cantidad de calor que debe transmitirse a un gramo de agua para que su temperatura se eleve en un grado centígrado de 14,5ºC a 15,5 ºC. Joule estableció experimentalmente la relación entre estas dos unidades y obtuvo: 1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal (desarrollado en la unidad de Magnitudes) Cada vez está más difundido el empleo del Joule como unidad internacional de energía. 2
Equilibrio térmico: es la igualación de la temperatura de dos cuerpos al transferir calor desde el de mayor, al de menor temperatura. La cantidad de calor Q que cede uno de ellos la absorbe el otro. Si adoptamos la convención de que el calor ganado es positivo y el perdido es negativo, obtenemos que la suma algebraica entre dichas cantidades de calor es igual a cero. Q gan.+ Q per = 0 ó Q gan = - Q per Esto no es otra cosa que una manera de expresar la conservación de la energía para el intercambio calórico. (Principio de conservación de la energía) Cambios de estado Los estados de agregación de la materia son: sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de ellos se caracteriza por la intensidad de las fuerzas moleculares. A medida que un cuerpo recibe calor, va aumentando su temperatura hasta que alcanza el punto crítico llamado punto de fusión (o de solidificación) o punto de vaporización ( o de condensación) según el caso, y comienza el cambio de estado. Se rompen o se forman nuevos enlaces entre las partículas que lo componen, cambian los espacios vacíos, se modifica su volumen.en este proceso de cambio de estado la temperatura permanece constante. El calor que recibe o pierde un cuerpo mientras está cambiando de estado, no se emplea en aumentar o disminuir su temperatura, sino que se emplea en romper o formar las uniones entre las partículas que componen el cuerpo. 3
INTERCAMBIO DE CALOR La cantidad de calor que hay que dar o quitar a un cuerpo para que cambie su temperatura depende, por supuesto, de su masa, y de la magnitud de esa variación de temperatura. Dentro de ciertos límites, se puede considerar que esa cantidad de calor (Q) es proporcional a la masa (m) de sustancia y a la variación de temperatura T ). La constante de proporcionalidad típica para cada sustancia se conoce como calor específico (c e ) de la sustancia: m: masa c e : calor específico T= Tf Ti Variación o incremento de temperatura Q = c e. m. T Cada sustancia tiene su propio calor específico que indica la cantidad de calor que debe ganar o ceder una unidad de masa para que su temperatura aumente o disminuya en un grado. Por ej. El calor específico del agua es 1 cal/g C, ya que por a cada gramo de agua es necesario entregarle 1 cal para que eleve su temperatura de 14,5 ºC a 15,5 ºC Cuando un objeto que se encuentra a una temperatura coincidente con alguno de sus puntos de fusión o de vaporización, y recibe calor, ocurre un cambio de estado. La temperatura a la que una sustancia pasa de un estado a otro se llama temperatura de cambio de estado o punto de cambio de estado, y depende mucho de la presión. Cada sustancia tiene un calor latente de fusión L f y un calor latente de vaporización L v característico, que se miden, por ejemplo, en cal/g. El calor latente [l]de cambio de estado expresa qué cantidad de calor debe intercambiar una unidad de masa de sustancia que se halla a la temperatura de cambio de estado, para que tenga lugar ese cambio. La cantidad de calor transferida en un cambio de estado se expresa: Q=± m.l f o Q= ± m. L v Cuando una masa se funde el Q fusión >0, cuando se solidifica Q solidificación <0. Cuando se vaporiza Q vaporiación >0, y cuando se condensa Q condensación <0 Ejemplo del proceso de aumento de temperatura de un bloque de hielo hasta convertirse completamente en vapor de agua. 4
TRANSFERENCIA DE CALOR. El calor es energía que fluye desde un objeto a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. El sentido natural del flujo espontáneo del calor es desde los cuerpos con mayor temperatura a los de menor temperatura. En el cuerpo humano a 37 ºC hay un flujo permanente de calor hacia el exterior, que es fundamental para que la temperatura del organismo se mantenga constante. El proceso metabólico convierte permanentemente energía química en energía térmica interna. Conducción. En este proceso la transferencia de calor se produce a escala atómica como un intercambio de energía cinética entre las moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las más energéticas. La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes. Se define como velocidad de flujo al calor que fluye desde una cara a otra en la unidad de tiempo. [H]=[cal/s] o [J/s]=[watt] Ley de conductividad del calor: ley de Fourier: H= H: velocidad de flujo. [ K: coeficiente de conductividad térmica A: área de la superficie T=diferencia de temperatura x o L: espesor Tabla de conductividad térmica de algunos materiales[ 5
Convección Es un proceso de transferencia de calor en fluidos, que se caracteriza por un movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia, llamado corriente de convección. Puede ser natural, producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección. Calentamiento de un ambiente 1 Corrientes de convección en las zonas costeras Radiación Todos los cuerpos irradian energía continuamente en la forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. 300.000 km/s. La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportados por ondas electromagnéticas o fotones, por esto recibe el nombre de radiación electromagnética A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Se denomina constante de emisividad [ ε ] a un coeficiente que indica la propiedad que tiene un material u objeto para irradiar. Su valor está comprendido entre 0 y 1, siendo para Hay objetos que son absorbedores ideales por absorber toda la radiación luminosa que incide sobre él, incluida la infrarroja y la ultravioleta, ambas invisibles. Se llaman cuerpos negros (no significa sean de color negro) y para ellos ε=1. 6
DILATACIÓN Los efectos más comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos o sustancias, son los cambios en sus dimensiones y los cambios de fase. Nos referiremos a los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se produzcan cambios de fase. Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura. Dilatación de los sólidos La dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto o ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Dilatación lineal: Generalmente se observa la dilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura. El aumento que experimentan las otras dos dimensiones del cuerpo son despreciables frente a la longitud. Si la longitud inicial de esta dimensión lineal es L o, a la temperatura T o y se aumenta la temperatura a T se produce un aumento en la longitud de la barra indicado como L f. Se produce un incremento de longitud que simbolizaremos como ΔL. ΔL= L f - L o Experimentalmente se evidencia que el cambio de longitud ΔL es proporcional al cambio de temperatura (ΔT) y a la longitud inicial L o. Esto lo podemos expresar con la relación: ΔL L o. Δt o bien con la expresión: ΔL =α. L o. Δt ; L F = L o +ΔL = L o+ L o. α. T L F = L o ( 1 + α. T) Donde α es un coeficiente de proporcionalidad, que denominado coeficiente de dilatación lineal, y que es distinto para cada material. Para comprender la dilatación, es conveniente visualizar el fenómeno a nivel microscópico, la expansión térmica de un sólido sugiere un aumento en la separación promedio entre los átomos en el sólido. Si la barra de la Figura, está fija en uno de sus extremos, por ejemplo empotrada, a causa de la dilatación térmica, se desarrollan esfuerzos en la misma, que se deben tener en cuenta para los cálculos del diseño de la pieza o de su instalación. 7
Dilatación Superficial: cuando tomamos un plano dentro de un cuerpo sólido, de modo que el área de la superficie de dicho plano está dada por la expresión: S = L 1.L 2, se determina que: S = S o. 2.α. T y S F = S o +ΔS = S o+ S o. 2.α. T S F = S o ( 1 + 2.α. T) Donde (1 + 2 α. T) llamado binomio de dilatación superficial. Se considera ésta dilatación cuando el objeto tiene dos dimensiones relevantes frente a la tercera. Por ejemplo: placas, planchas, hojas, etc. Dilatación volumétrica: Cuando las tres dimensiones de un objeto se modifican por efectos de aumentos de temperatura se habla de una aumento de volumen: V = V o. 3α. T y V F = V o ( 1 + 3α. T) Coeficiente de dilatación: PROPIEDADES ESPECÍFICAS O CONSTANTES FÍSICAS DE ALGUNAS SUSTANCIAS SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO ( Cal/gºc ) CALOR LATENTE DE FUSIÓN ( Cal/g ) Temperatura de Fusión ( ºC) CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN ( Cal/g ) Temperatura de Vaporización ( ºC) Aluminio 0,217 77 658-1800 Hierro 0,115 6 1530 - - Plata 0,056 21 962-2200 Plomo 0,031 5,5 327-1740 Cobre 0,093 42 1083 1200 2595 Hielo 0,489 80 0-357 Aceite 0,4 - - 70 316 Agua 1 - - 540 100 Alcohol 0,547 - - 208 79 Mercurio 0,033 2,8-39 357 70,6 Vapor de agua 0,45 Cuerpo humano 0,83 8
Trabajo Práctico Responder: 1. Por qué el agua de la pava nunca supera los 100 ºC? 2. Uno de las sustancias con mayor calor específico es el agua. Explica una situación de diseño en la cual se aplique esta propiedad del agua. 3. La madera es mejor aislante que el vidrio. Sin embargo, es muy común el uso de lana de vidrio para aislar construcciones de madera. Por qué? 4. Si introduces una varilla metálica en un montón de nieve, el extremo que sostienes con la mano no tarda en enfriarse. Acaso fluye frío de la nieve hacia la mano? 5. Por qué se siente más frío al tacto un trozo de metal a temperatura ambiente que uno de papel, de madera o de tela? 6. Decide cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera: La convección tiene lugar: a) sólo en líquidos b) sólo en sólidos c) sólo en gases d) en sólidos y líquidos e) en líquidos y gases 7. Explica la causa por la qué en los países cálidos las vestimentas son, por lo general blancas o claras. 8. Por qué son buenos aislantes los materiales como las pieles, las plumas y la nieve? 9. Por qué al colocar un plato de vidrio común sobre una estufa usualmente se rompe? Si fuera de Pyrex esto no ocurriría, qué característica del Pyrex previene la rotura? 10. Indica las propiedades que deben tener los materiales que se utilizan para aislar casa: techos, paredes pisos, etc. 11. Ordena estos materiales considerando los valores de su conductividad térmica de ladrillo-bloque de cemento- espuma de estireno- vidrio- fibra de celulosa-guata de fibra de vidrio de 3,5 pulgadas. 12. A qué se llama Termografía? En qué transferencia del calor se basa? Da una aplicación a una investigación de diseño. 13. Describe y explica dos situaciones en las cuales el conocimiento del coeficiente de dilatación de los materiales es determinante para su diseño. Aclara a qué dilatación te refieres. 14. Cuál es la relación entre el coeficiente de dilatación del vidrio Pyrex y el de un vidrio común? Cómo se relaciona esto con la posibilidad del Pyrex de soportar altas temperaturas? 15. Explica el funcionamiento de una banda bimetálica como control de temperatura? Dónde es usual encontrarlas? 16. Cuáles de las combinaciones de propiedades siguientes darán lugar a la dilatación más pequeña de una sustancia debido a la absorción de energía térmica? a. Calor específico pequeño y coeficiente de dilatación grande. b. Calor específico pequeño y coeficiente de dilatación pequeño c. Calor específico grande y coeficiente de dilatación grande d. Calor específico grande y coeficiente de dilatación pequeño 9