1. TEMPERATURA
Y CALOR
1
Marcos Guerrero

2. TEMPERATURA.
2
Definición macroscópica:
Es una cantidad escalar que mide en forma cualitativa cuán
caliente o cuán frío esta un objeto o sustancia.
Marcos Guerrero

3. Definición microscópica:
3
La temperatura absoluta (temperatura medida en Kelvin) es
proporcional a la energía cinética promedio de traslación de las
partículas que componen el objeto o sustancia.
T ∝ ECt
1
ECt = mV 2
2
Donde:
V12 + V22 + .... + VN2
V2 =
N
La temperatura es una propiedad intensiva , es decir que no depende
del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente
y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este
compuesto.
Marcos Guerrero

4. 4
CONSTRUCCIÓN DE UN TERMÓMETRO.
Existen muchos tipos de escalas de temperatura.
Para construir un termómetro (medidor de temperatura), hay que definir
una escala de temperatura y para esto se necesita conocer:
•Una propiedad que varíe con la temperatura, llamado propiedad
termométrica.
•Elegir dos puntos fijos de temperatura, un punto fijo menor y un punto
fijo mayor, para formar un intervalo de temperatura.
•Dividir en partes iguales el intervalo de temperatura seleccionado.
Si se quiere determinar un valor que está dentro del intervalo se
interpola y se el valor a determinar está fuera del intervalo se extrapola.
Marcos Guerrero

5. Para determinar la temperatura5 T en términos de la propiedad
termométrica X, podemos utilizar el siguiente gráfico:
T
TA
N TM = ?
TB
TM =
XB XM
XA
( XM − XB ) N +T
B
( XA − XB)
Propiedad termométrica X
TA : es el valor de temperatura en el punto fijo alto.
TB : es el valor de temperatura en el punto fijo bajo.
TM : es el valor de temperatura medido.
N
:es el número de divisiones que se escoge para dividir el
intervalo de temperatura.
X A : es el valor de la propiedad termométrica en el punto fijo alto.
X B : es el valor de la propiedad termométrica en el punto fijo bajo.
X M : es el valor de la propiedad termométrica medido.
Marcos Guerrero

6. 6
ALGUNOS TIPOS DE TERMÓMETROS.
Ejemplos de termómetros:
•Gas mantenido a volumen constante: En este termómetro la presión
sería la propiedad termométrica, y en función de la presión se
establecería la escala de temperaturas.
•Gas mantenido a presión constante: La propiedad termométrica es ahora
el volumen.
•Resistencia eléctrica: En este termómetro la resistencia eléctrica sería la
propiedad termométrica, y en función de la resistencia eléctrica se
establecería la escala de temperatura.
•Clínicos: La propiedad termométrica es la dilatación lineal de la columna
de mercurio o alcohol con colorante.
Marcos Guerrero

7. 7
TERMÓMETRO DE GAS A VOLUMEN
CONSTANTE.
El termómetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene un
margen de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C.
El termómetro de gas a volumen constante se compone de un
recipiente con gas helio, hidrógeno oxígeno o nitrógeno, según la
gama de temperaturas deseada y un manómetro con mercurio
medidor de la presión.
Una desventaja de
este termómetro es
que el gas puede
pasar a líquido por la
presión.
1. Pequeño cambio de
volumen
por
contracción
o
dilatación del bulbo.
2. No todo el gas está
sumergido en el baño
Marcos Guerrero

8. 8
Si el recipiente que contiene el gas tuviera diferentes gases el
comportamiento de la gráfica P vs. T no cambia, es decir, sigue siendo
lineal. Adicionalmente si extrapolamos las gráfica hacia el lado
izquierdo nos vamos a fijar que llega a -273.15 °C
La temperatura donde la presión es cero se conoce como temperatura
absoluta (0 K).
Marcos Guerrero

9. 9
Marcos Guerrero

10. 10
Marcos Guerrero

11. 11
¿Qué es el cero absoluto de temperatura?
El cero absoluto de temperatura (0K) es la temperatura más baja que
teóricamente se puede alcanzar. En el cero absoluto las partículas del cuerpo
o sustancia están paradas. Esto es, no tienen energía cinética.
0K= -273ºC.
Marcos Guerrero

12. ¿Qué es el cero absoluto de temperatura?
Esta temperatura es imposible de alcanzar, pues el cuerpo o sustancia
debería de estar totalmente aislado de cualquier fuente de calor, lo que no es
posible.
Marcos Guerrero
12

13. 13
ESCALAS DE TEMPERATURA.
Existe un sin número de escalas de temperatura, sin embargo, sólo
mencionaremos las 3 más importantes; pero todas se basan en la
dilatación térmica lineal (propiedad termométrica).
T
TA
N TM = ?
TB
LM − LB TM − TB
=
LA − LB
N
LB LM
LA
Dilatación térmica lineal
TA : es el valor de temperatura del punto de ebullición del agua.
TB : es el valor de temperatura del punto de fusión del agua.
TM : es el valor de temperatura medido.
N
:es el número de divisiones que se escoge para dividir el
intervalo de temperatura.
LA : es el valor de la longitud en el punto fijo alto.
LB : es el valor de la longitud en el punto fijo bajo.
LM : es el valor de la longitud medido.
Marcos Guerrero

14. 14
Independientemente en que escala se trabaje, la dilatación térmica lineal
es la misma en los 3 termómetros.
Animación.
LM − LB TK − 273 T0 C − 0 T0 F − 32
=
=
=
LA − LB
100
100
180
De este resultado podemos concluir que la variación de temperatura en
la escala Kelvin es la misma variación de temperatura en la escala
Grados Celsius.
∆TK = ∆T0 C
Marcos Guerrero

15. Para completar la definición de T, sólo necesitamos especificar
la temperatura Kelvin de un solo estado específico. Por razones
de precisión y de capacidad de reproducción, el estado
elegido es el punto triple del agua.
La temperatura del punto triple del agua es, por
definición:
Ttriple = 273.16 K que corresponde a 0.010 C

16. 16
Problema
Marcos Guerrero

17. 17
Solucion
Marcos Guerrero

18. 18
Problema
Marcos Guerrero

19. 19
Solucion
Marcos Guerrero

20. 20
DILATACIÓN TÉRMICA .
•
•
•
•
También llamado expansión térmica.
Es un fenómeno que cambia las dimensiones al cambiar
la temperatura.
La dilatación térmica puede ser lineal, superficial y
volumétrica (real).
La gran mayoría de los objetos o sustancia se dilatan al
aumentar la temperatura.
Marcos Guerrero

21. COEFICIENTES DE DILATACIÓN
LINEAL DE ALGUNAS SUSTANCIAS.
Sustancia
Hierro
Aluminio
Cobre
Plata
Plomo
Níquel
Acero
Zinc
Vidrio
α (º C −1)
11.7 x 10 -6
22.4 x 10 -6
16.7 x 10 -6
18.3 x 10 -6
27.3 x 10 -6
12.5 x 10 -6
11.5 x 10 -6
35.4 x 10 -6
7.3 x 10 -6

22. 22
Marcos Guerrero

23. 23
Marcos Guerrero

24. 24
Marcos Guerrero

25. EXPANSION TERMICA
∆L es directamente proporcional a ∆T
∆L es directamente proporcional a L0
∆L = αL0 ∆T
L f − L0 = αL0 ∆T
L f = L0 (1 + α∆T )

26. a) Modelo de las fuerzas entre
átomos vecinos de un sólido
b) Gráfica de la energía potencial de
dos átomos vecinos.
Al aumentar la energía de E1 a E2 y a E3 ,
se incrementa la distancia media entre los
átomos.

27. EXPANSION SUPERFICIAL
a+∆a=af
a
b
Tinicial ( T0 )
T final
a f = a ( 1 + α ∆T )
b f = b ( 1 + α ∆T )
a f × b f = ab(1 + α∆T )
(
(T )
f
b+∆b=bf
A f = A0 (1 + 2α∆T )
2
A f = A0 1 + 2α∆T + α 2 ∆T 2
≈0
)
∆A = 2αA0 ∆T

28. EXPANSION VOLUMETRICA
a f = a ( 1 + α ∆T )
b f = b ( 1 + α ∆T )
c
b
a
V f = V0 (1 + 3α∆T )
V f = V0 (1 + β ∆T )
c f = c(1 + α∆T )
a f b f c f = abc(1 + α∆T )
∆V = 3αV0 ∆T
∆V = βV0 ∆T
β es el coeficiente de dilatación volumétrica
3

29. 29
Relación entre el coeficiente de expansión de volumen
y el coeficiente de expansión lineal
Para materiales sólidos, hay una relación sencilla entre estos coeficientes.
Para deducir esta relación consideremos un cubo de material con longitud de
lado L y volumen V. En la temperatura inicial los valores son L0 y V0 .
dV =
dV
dL = 3L2 dL
dL
Sustituimos L y V por los valores iniciales:
dL = αL0 dT
Puesto queV0
= L0
3
implica que dV puede expresarse como:
dV = 3L0 αL0 dT = 3αV0 dT
2
Esto es congruente solo si:
β = 3α
Marcos Guerrero

30. 30
Realizando un análisis similar podemos concluir lo siguiente:
∆L = L0α∆ T
∆A = A0γ ∆ T
∆V = V0 β ∆ T
Expansión lineal
γ = 2α
β = 3α
Expansión superficial
Expansión volumétrica
• Material isotrópico =α en las tres dimensiones: largo, ancho y altura.
•α propiedad térmica que depende del tipo de material.
•α depende de T (temperatura) y δ (deformación) .
•Al aplicar δ se cambia α (muy pequeño).
•α cambia más con la T.
La unidad de α en el SI es
los grados que son iguales).
(también, debido al tamaño de
Marcos Guerrero

31. 31
Problema
Marcos Guerrero

32. 32
Solución
Marcos Guerrero

33. 33
Problema
Marcos Guerrero

34. 34
Solución
Marcos Guerrero

35. 35
Expansión térmica del agua
Marcos Guerrero

36. 36
Esfuerzo térmico
Aparecerán esfuerzo de tensión o compresión también llamados esfuerzo
térmico, si sujetamos rígidamente los extremos de una varilla para evitar su
expansión o compresión y a su vez variamos su temperatura.
T0
Tf
Si T f > T0 y las paredes son rígidas, la barra estará
sometida a un esfuerzo de compresión.
∆L = α L ∆T
F
∆L
F
αL∆T
=E
⇒ =E
A
L
A
L
F = − EAα∆T
Marcos Guerrero

37. 37
Problema
Marcos Guerrero

38. 38
Solución
Marcos Guerrero

39. ENERGÍA INTERNA. un átomo o molécula de una
Es la energía total almacenada en
sustancia u objeto.
Marcos Guerrero
39

40. 40
Marcos Guerrero

41. 41
CONTACTO TÉRMICO.
es un estado de dos o más objetos o sustancias que se encuentran en
contacto físico.
CALOR (∆Q ).
Es un proceso de transferencia de. energía térmica de un objeto o
sustancia a otro, debido a una diferencia de temperatura en los
objetos o sustancias que se encuentran en contacto térmico
La unidad de ∆Q en el S.I. es el Joule (J).
El calor fluye de un objeto o sustancia de mayor temperatura, a un
objeto o sustancia de menor temperatura.
Marcos Guerrero

42. 42
ENERGÍA TÉRMICA.
Es un término especializado que se refiere a la parte de la energía cinética
promedio de traslación que se transfiere de una sustancia a otra
EQUILIBRIO TÉRMICO.
Estado de 2 o más objetos o sustancias en contacto térmico cuando han
alcanzado una misma temperatura.
Animación
Marcos Guerrero

43. 43
LEY DE EQUILIBRIO
“Si los cuerpos A y B, por separado, están en
equilibrio térmico con un tercer cuerpo C,
entonces A y B estarán en equilibrio térmico uno
con otro si se ponen en contacto térmico”
Los aislantes térmicos son conocidos como paredes adiabáticas
(madera, hormigón, fibra de vidrio), en cambios los conductores
térmicos son conocidos como paredes diatérmanas ( metales)
Marcos Guerrero

44. FUERZA Y ENERGÍA POTENCIAL
ENTRE PARTÍCULAS
La fuerzas que mantiene unidas a las partículas (átomos y
moléculas) son las fuerzas electromagnéticas y las
gravitacionales,
sin
embargo
las
fuerzas
electromagnéticas son muchos mayores que las fuerzas
gravitacionales por lo que estas ultimas se pueden
despreciar.
Iónicos
primarios
Metálicos
Covalentes
Enlaces
secundarios
Vanderwaals
Hidrógeno
Marcos Guerrero
44

45. 45
WFE = −∆EPE
FE ∆r = − ∆EPE
Marcos Guerrero

46. 46
∆EPE
FE = −
∆r
•El
negativo de la pendiente de una gráfica energía potencia
eléctrica vs. la distancia de separación entre partículas nos da
la fuerza eléctrica.
•La
forma asimétrica de la gráfica fuerza eléctrica vs. la
distancia de separación entre partículas con respecto al punto
de equilibrio nos indica la existencia de las diferentes fases.
•Si
las partículas se empujan ligeramente a partir de su
posición de equilibrio, las partículas comenzarán a tener un
M.A.S.
•Dos
partículas están en equilibrio cuando tienen la mínima
energía potencial eléctrica entre ellas.
Marcos Guerrero

47. 47
Propiedades térmicas de la materia
Porque se incrementa la temperatura de un objeto?
Cuando un objeto se calienta sufre un incremento de temperatura
que depende de 3 factores:
 Energía térmica dada al objeto (∆Q).
 Masa de objetos (m).
 Tipo de material del que está hecho el objeto.
Marcos Guerrero

48. 48
Capacidad calorífica absoluta (C)
También es llamada capacidad térmica absoluta
o capacidad calorífica y se define como:
∆Q δQ
=
∆T →0 ∆T
δT
∆Q
C=
∆T
C = lim
•Depende de la temperatura del objeto y de la presión que se aplica sobre
el objeto.
•La capacidad calorífica es diferente aunque sean del mismo material.
•Propiedad térmica característica de cada material.
•En sólidos y líquidos (no son tan compresibles), C cambia
apreciablemente debido al cambio de P (casi constante).
Marcos Guerrero

49. 49
Capacidad calorífica específica (c)
También es llamado capacidad térmica específica o calor
específico y se define:
1 ∆Q
1
∆Q 1 ∂Q
=
lim
=
∆T →0 m ∆T
m ∆T →0 ∆T m ∂T
C
c=
m
c = lim
Las unidades en el SI es elJkg
−1
K −1
( Jg −1 º C −1
o
ca lg −1 º C −1 )
El calor específico es el mismo si son del mismo material,
independiente de su masa.
C1 C 2
=
=c
m1 m 2
Depende de la temperatura y presión, pero para cambios de
presiones en sólidos y líquidos, el calor específico es
prácticamente constante.
Marcos Guerrero

50. 50
Capacidad calorífica absoluta (C)
También es llamada capacidad térmica absoluta o
capacidad calorífica y se define como:
∆Q δQ
=
∆T →0 ∆T
δT
∆Q
C=
= Mc
∆T
C = lim
•Depende de la temperatura del objeto y de la presión que se aplica
sobre el objeto.
•La capacidad calorífica es diferente aunque sean del mismo
material.
•Propiedad térmica característica de cada material.
•En sólidos y líquidos (no son tan compresibles), C cambia
apreciablemente debido al cambio de P (casi constante).
Marcos Guerrero

51. 51
Problema
Marcos Guerrero

52. 52
Solución
Marcos Guerrero

54. Unidades de calor
54
•
Caloría (cal): se define como la cantidad de
calor necesaria para elevar la temperatura
de 1 gramo de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
•
Kilocaloría (kcal): se define como la
cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura de 1 kilogramo de agua de
14.5ºC a 15.5ºC.
•
Unidad térmica británica (BTU): se define
como la cantidad de calor necesaria para
elevar la temperatura3 de 1 libra de agua de
63ºF a 64ºF.1Kcal = 10 cal = 4186 J
1BTU = 252 cal = 1055 J
Marcos Guerrero

55. 55
Calorimetría
La calorimetría utiliza la ley de la
conservación de la energía y sirve para
determinar el calor específico,
capacidad calorífica y calor latente de
una sustancia o material.
Existen 2 métodos:
1. El método de las mezclas
2. El método eléctrico
Marcos Guerrero

56. 56
Cambios de fase
Energía térmica perdida
Sublimación inversa
Congelación
Sólido
Condensació
n
Líquido
Fusión
Gas
Vaporización
Sublimación
Energía térmica añadida
Marcos Guerrero

57. 57
Marcos Guerrero

58. 58
•
Fusión: es un cambio de sólido a líquido debido a un
incremento de temperatura.
•
Solidificación o congelación: es un cambio de líquido a sólido
debido a una disminución de temperatura.
•
Vaporización: es un cambio de líquido a gas debido a un
incremento de temperatura.
•
Condensación o licuefacción: es un cambio de gas a líquido
debido a una disminución de temperatura.
•
Sublimación: es un cambio se sólido a gas, sin pasar por el
estado líquido.
•
Sublimación inversa: es un cambio de gas a sólido, sin pasar
por el estado líquido.
Marcos Guerrero

59. 59
Marcos Guerrero

60. 60
Calor latente
Sustancia
Punto de
fusión (K)
Calor latente de
fusión
3
-1
(x10 J )
.kg
Punto de
ebullición
(K)
Calor latente de
vaporización
5
-1
(x10 J )
.kg
Oxígeno
Etanol
Plomo
Cobre
Agua
55
159
600
1356
273
0.14
1.05
0.25
1.8
3.34
90
351
1893
2573
373
2.1
8.7
7.3
73
22.5
Marcos Guerrero

61. 61
RESUMEN DE FORMULAS A USAR
Marcos Guerrero

62. 62
Problema
Marcos Guerrero

63. 63
Solución
Marcos Guerrero

64. 64
Problema
Marcos Guerrero

65. 65
Solución
Marcos Guerrero

66. 66
Mecanismos de transferencia de
calor
Para producir una transmisión de calor de
un cuerpo a otro es necesario que estos
cuerpos tengan diferentes temperaturas.
Al cuerpo de mayor temperatura se lo llama
fuente, y al de menor se lo llama receptor.
Marcos Guerrero

67. 67
Existen 3 tipos para transmitir calor:
•
Conducción: Existe conducción dentro de un
cuerpo o entre dos cuerpos que están en
contacto.
•
Convección : Depende del movimiento de una
masa de una región del espacio a otra.
•
Radiación : Es la transferencia del calor
mediante ondas electromagnéticas.
Marcos Guerrero

68. 68
Marcos Guerrero

69. 69
Conducción
•
Puede haber conducción cuando existe contacto
térmico entre 2 cuerpos sólidos que están a
diferentes temperaturas. Estos cuerpos pueden ser
de igual o de diferente material.
•
La transmisión de calor por conducción es el
resultado de las colisiones entre las partículas que
tienen mayor energía y que se las transmite por
medio de calor a las partículas con menor energía.
Marcos Guerrero

70. 70
Marcos Guerrero

71. 71
La cantidad de calor ( ∆Q) que fluye a
través de un cuerpo por conducción
depende :
1.Del
intervalo de tiempo (∆t) que fluye el calor.
2.Del área (A) que es perpendicular al flujo de
calor.
3.El cambio de temperatura (∆T) que existe entre los
extremos del cuerpo.
4.Espesor del cuerpo (∆x).
5.Conductividad térmica (k).
Marcos Guerrero

72. 72
Conductividad térmica
Es una propiedad térmica propia de cada material y
depende:
1. La
temperatura a la que se encuentra el material.
F
2.El esfuerzo aplicado al material (no varía mucho).
∆TºC = ∆TK
Tf
∆Q(J )
∆ ∝
Q
∆t(s)
∆Q
A(T f −T0 )
∆
Q
∆
t
A(m 2 )
∆T (K )
∆
x
= −kA
∆x(m)
H =
∆
T
∆
x
Rapidezconque fluyeelQ
J
)
msK
H (W )
Tc
∆
t
k (
dQ
∆
T
= −kA
dt
∆
x
Resistencia térmica esta dada por:
∆x
L
R=
k
Marcos Guerrero

73. 73
Marcos Guerrero

74. 74
Sustancia
Al
Cond. Térmica
238
J
sm º C
397
Metales
(25ºC)
Sustancia
314
Cu
79.5
Au
34.7
Asbesto
Pb
Sustancia
Ag
Aire
Cond. Térmica
0.0234
H
J
sm º C
0.84
Hielo
1.6
Caucho
0.2
H2O
0.60
Madera
0.10
0.138
0.172
N
0
He
1.3
Vidrio
No
Metales
Fe
0.25
Concreto
427
Gases
(20ºC)
Cond. Térmica
0.0234
0.0238
Marcos Guerrero
J
sm º C

75. 75
Problema
Marcos Guerrero

76. 76
Solución
Marcos Guerrero

77. 77
Convección:
La transferencia se da básicamente por el
movimiento de los fluidos (líquidos y gases).
Los líquidos y gases son malos conductores,
sin embargo la movilidad de las partículas del
fluido permite la transferencia de calor por
convección.
Marcos Guerrero

78. 78
Tipos de convección:
1.
Convección natural o libre, cuando el movimiento del fluido es
debido a diferencia de densidades. Esto es por diferencias de
temperaturas del fluido y el cuerpo que está en contacto
térmico.
T↑
V↑
ρ↓
Marcos Guerrero

79. 79
2.
Convección forzada, cuando el f luido se mueve
mediante un medio mecánico (ventilador, bomba,
agitador)
Marcos Guerrero

81. La convección: La calefacción y la refrigeración.
Si te has fijado los aparatos de calefacción se colocan abajo, mientras que los de
aire acondicionado se ponen altos. Seguro que si has entendido los procesos de
convección sabrás por qué.
Marcos Guerrero
81

82. La convección: La calefacción y la refrigeración.
Si te has fijado los aparatos de calefacción se colocan abajo, mientras que los
de aire acondicionado se ponen altos. Seguro que si has entendido los procesos
de convección sabrás por qué.
Marcos Guerrero
82

83. 83
•
El aire se enfría cuando sube porque se expande y hay menos
choques. Lo que disminuye la energía cinética promedio de
traslación y por ende la Temperatura también.
•
El aire se calienta cuando baja porque hay más choques
(menor presión atmosférica) lo que aumenta la energía
cinética promedio de traslación y la temperatura aumenta.
PV = nRT
T∝P
sube P ↓ → T ↓
baja P ↑ → T ↑
Marcos Guerrero

84. Radiación
84
•Es
el proceso de transferencia de
calor por ondas electromagnéticas.
• Todos los objetos irradian energía
continuamente en forma de ondas
electromagnéticas.
•Ley de Stefan-Boltzmann:
La energía total radiada por un
cuerpo por unidad de tiempo
(potencia) es proporcional a la
cuarta potencia de su temperatura
absoluta.
P = σeAT 4
Marcos Guerrero

85. 85
•P: potencia irradiada por el objeto (W)
•σ: constante de Boltzmann
5.6696 ×10 −8Wm −2 K −4
•A: área de la superficie del objeto.( m 2 )
•T: temperatura absoluta (K).
•e: emisividad (# adimensional que se define como la razón entre la
radiación emitida por una superficie y la radiación emitida si fuera un
cuerpo negro a la misma temperatura).
•e=1 un cuerpo negro.
0 ≤ e ≤1
•e=0 un espejo.
Se denomina cuerpo negro el que absorbe todas las radiaciones
incidentes y no refleja ninguna de ellas. Pese a no reflejar la
radiación incidente, el cuerpo negro irradia cierta energía a
distintas longitudes de onda.
Marcos Guerrero

86. 86
Todos los cuerpos a mas de irradiar energía en forma de ondas
electromagnéticas, también absorben energía, por la tanto la
potencia neta será:
PNETA = σeA(T 4 −T0 )
4
Donde T representa la temperatura del cuerpo y To representa la
temperatura del medio que rodea al cuerpo.
Marcos Guerrero

87. 87
Problema
Marcos Guerrero

88. 88
Solución
Marcos Guerrero