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INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS DE
PARA EL ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA
DE CALOR
M.sc. Ing. Edisson Paguatian
ENERGÍA INTERNA
La energía interna es toda la energía que
pertenece a un sistema mientras está
estacionario (es decir, no se traslada ni rota),
incluida la energía nuclear, la energía química
y la energía de deformación (como un resorte
comprimido o estirado), así como energía
térmica.
ENERGÍA TÉRMICA
La energía térmica es la parte de la energía interna que
cambia cuando cambia la temperatura del sistema.
El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica
como transmisión de energía térmica.
Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso
cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha
habido flujo de calor que entra o sale del sistema.
Nota: La transferencia de energía térmica es producida por
una diferencia de temperatura entre un sistema y sus
alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de
energía térmica en el sistema.
TERMODINÁMICA
Es la cantidad de transferencia de calor a
medida que un sistema pasa por un
proceso de un estado de equilibrio a otro y
no hace referencia a cuanto dura este
proceso.
Rama de la Física que estudia los
fenómenos inherentes a las
transformaciones energéticas y sus efectos
sobre el estado de la materia.
CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGÍA
 Energía total: E
 Energía Microscópica: Grado de estructura
molecular de un sistema:
 Energía interna: U
 UNIDADES
 SI: joule(J) (kJ=1000 j)
 S. ingles: Btu= 1,055056 kJ
UNIDADES DE CALOR
La caloría fue definida como la cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de 1 g de
agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
1 Cal: = 4,1868 J
La unidad de calor en el sistema ingles es la
unidad térmica británica (Btu), definida como el
calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb
de agua de 63ºF a 64ºF.
CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO
La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se
define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa
muestra en un grado centígrado.
Q = C DT
El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de
masa.
Tm
Q
m
C
c
D

El calor específico molar de una sustancia es la capacidad
calorífica por mol.
EJEMPLO
La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50
kg de agua en 3°C es:
Q = mcDT = (0.5)(4186)(3) = 6.28 x 103 J.
Donde C = 4186 J/kg °C
CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS A 25°C Y
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Calor específico
Sustancia J/kg °C Cal/g °C
Sólidos elementales
Aluminio
Berilio
Cadmio
Cobre
Germanio
Oro
Hierro
Plomo
Silicio
Plata
900
1830
230
387
322
129
448
128
703
234
0.215
0.436
0.055
0.0924
0.077
0.0308
0.107
0.0305
0.168
0.056
Otros sólidos
Latón
Vidrio
Hielo (-5°C)
Mármol
Madera
380
837
2090
860
1700
0.092
0.200
0.50
0.21
0.41
Líquidos
Alcohol (etílico)
Mercurio
Agua (15°C)
2400
140
4186
0.58
0.033
1.00
Gas
Vapor (100°C) 2010 0.48
CALORIMETRÍA
 
 fxx
wfww
x
TTm
TTcm
c



Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y se
sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura final y
con estos datos se puede calcular el calor específico.
mw
Tw< Tx
mx
Tx
Tf
antes después
Qfrio = –Qcaliente
mwcw(Tf – Tw) = – mxcx(Tf – Tx)
EJEMPLO
 
 fxx
wfww
x
TTm
TTcm
c



Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a
continuación se introduce en un vaso de laboratorio que contiene
0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. si la temperatura de equilibrio
final del sistema mezclado es de 22.4 °C, encuentre el calor
específico del metal.
=(0.4)(4186)(22.4 – 20)/((0.050)(200 – 22.4)) = 452.54
TAREA
El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene
una temperatura de 10.0°C. El elemento cae una distancia total
de 50.0 m. Suponiendo que toda su energía potencial se emplea
para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en el
fondo de las cataratas.
c = 4186 J/kg °C
Q = mcDT
CALOR LATENTE
Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los
opuestos, se llaman cambios de fase.
La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m
de una sustancia pura es
Q = mL
Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia.
Existen dos tipos de calor latente:
Lf – calor latente de fusión
Lv – calor latente de vaporización
ALGUNOS CALORES LATENTES
Sustancia Punto de fusión
(°C)
Calor latente de
fusión (J/kg)
Punto de
ebullición (°C)
Calor Latente de
vaporización
(J/Kg)
Helio
Nitrógeno
Oxígeno
Alcohol etílico
Agua
Azufre
Plomo
Aluminio
Plata
Oro
Cobre
-269.65
-209.97
-218.79
-114
0.00
119
327.3
660
960.80
1063.00
1083
5.23x105
2.55x104
1.38x104
1.04x105
3.33x105
3.81x104
2.45x104
3.97x105
8.82x104
6.44x104
1.34x105
-268.93
-195.81
-182.97
78
100.00
444.60
1750
2450
2193
2660
1187
2.09x104
2.01x105
2.13x105
8.54x105
2.26x106
3.26x105
8.70x105
1.14x107
2.33x106
1.58x106
5.06x106
Gráfica de la temperatura Vs. la Energía térmica añadida
cuando 1 g inicialmente a –30°C se convierte en vapor a
120°C.
Hielo
Hielo + agua
Agua
Agua +
vapor
Vapor
62.7 396.7 815.7 3076
-30
0
50
100
T(°C)
A
B
C
D
E
Se calienta
el hielo
Se funde
el hielo
Se calienta
el agua
Se evapora
el agua
Se calienta
el vapor
120
Parte A. Q1 = miciDT = (1x10–3 )(2090)(30) = 62.7 J
Parte B. Q2 = mLf = (1x10–3)(3.33x105) = 333 J
Parte C. Q3 = mwcwDT = (1x10–3)(4.19x103)(100.0) = 419 J
Parte D. Q4 = mLv = (1x10–3)(2.26x106) = 2.26x103 J
Parte C. Q5 = mscsDT = (1x10–3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J
Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J
EJEMPLO
¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de
agua en un recipiente de vidrio de 100 g de 20.0 a 50.0 °C?
Para enfriar el vapor
Q1 = mcDT = m(2010)30 = 60300m J
Para condensar el vapor se libera:
Q2 = mLf = m(2.26x106)
Para calentar el agua y el recipiente se requiere:
Q3 = mwcwDT + mVcvDT = (0.2)(4186)(30) + (0.1)(837)(30) = 27627
Para enfriar el vapor (agua) de 100°C a 50°C
Q3 = mcwDT = m(4186)(50) = 209300m
Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente
60300m + 2260000m + 209300m = 27627
m = 10.9 g
TAREA
¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de
40.0 g de hielo a -10.0°C a 50°C?
CALORES ESPECÍFICOS DE GASES, LIQUIDOS Y
SOLIDOS
 Gas ideal: gas que obedece a la relación:
 Pv= Rt o P=ρRT
 P: presión absoluta
 V: Volumen específico
 T: temperatura termodinamica(o absoluta)
 ρ : densidad
 R: Constante del gas
 pV = nRT
 P(presión) en atmosferas(atm)
 V(volumen) en litros(l)
 T(temperatura) en la escala Kelvin(K)
 n: Numero natural de moles (mol)
 R :Constante de los gases ideales, que
vale 0.082 (atm.L.)/(K*mol).
 La ecuación muestra la relación que hay
entre la medida de las distintas propiedades
de un gas, de manera que puedes hallar la
variable que falta despejando las demás.
 El valor de R Puede determinarse
experimentalmente. Si se tiene en cuenta
que: P = (n/V) R T ; como n/V es la
concentración molar del gas P = c R T . Cabe
esperar que la representación de P frente a T
sea una recta que pase por el origen de
coordenadas y tenga de pendiente R .T
DIAGRAMA P-V
Presión
Volumen
V
p
T mayor
T menor
pV = nRT
p = nRT/V
Hipérbolas
TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS
TERMODINÁMICOS
Gas contenido en un cilindro a una
presión P efectúa trabajo sobre un
émbolo móvil cuando el sistema
se expande de un volumen V a un
volumen V + dV.
dW = Fdy = PAdy
dW = PdV
El trabajo total cuando el volumen
cambia de Vi a Vf es:

f
i
V
V
PdVW
El trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminada
del sistema.
El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado
final es el área bajo la curva en un diagrama PV.
TRAYECTORIAS
Pi
Pf
Vi Vf
i
f
P
V
Pi
Pf
Vi Vf
i
f
P
Pi
Pf
Vi Vf
P
f
i
El trabajo realizado por un sistema depende de los estados
inicial y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre
dichos estados.
TRABAJO Y CALOR
Pared
aislante
Pared
aislante
Posición
final
Posición
inicial
Vacío
Membrana
Gas a T1
Gas a T1
Depósito de energía
La energía transferida por calor, al igual que el trabajo
realizado depende de los estados inicial y final e intermedios
del sistema.
EJEMPLO
Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00 m3
en un proceso cuasi-estático para el cual P = aV2, con a = 5.00 atm/m6, como se
muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión?
P = aV2
P
V
1.00m3 2.00m3
i
f
TAREA
Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un
volumen de 0.050 m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas
si a) se expande a presión constante hasta el doble de su
volumen inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta un
cuarto de su volumen inicial?
Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a
esta energía se le llama energía interna U.
Si se efectúa un trabajo sobre un sistema sin intercambiar
calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al
negativo trabajo realizado:
dU = – dW infinitesimal
UB – UA = – WA  B finito
La energía interna se relaciona con la energía de las
moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las
variables termodinámicas.
ENERGÍA TÉRMICA
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía
interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus
alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:
DU = UB  UA =  WA  B + QA  B
Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica.
Para cambios infinitesimales la primera ley es:
dU = dW + dQ
Si la cantidad Q – W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que
esta depende solo de los estados inicial y final.
CONSECUENCIAS DE LA 1A. LEY
Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.
Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, DU = 0.
En un proceso cíclico el cambio en la
energía interna es cero.
En consecuencia el calor Q agregado al
sistema es igual al trabajo W realizado.
Q = W, DU = 0
En un proceso cíclico el trabajo neto
realizado por ciclo es igual al área
encerrada por la trayectoria que
representa el proceso sobre un diagrama
PV.
P
Trabajo = Calor = Área
V
APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY
Un trabajo es adiabático si no entra o
sale energía térmica del sistemas, es
decir, si Q = 0. En tal caso:
DU =  W
Expansión libre adiabática
Para la expansión libre adiabática
Q = 0 y W = 0, DU = 0
La temperatura de un gas ideal que
sufre una expansión libre permanece
constante.
Como el volumen del gas cambia, la
energía interna debe ser
independiente del volumen, por lo
tanto
Uideal = U(T)
vacío
Gas a Ti
membrana
Muro aislante
Tf = Ti
membrana
PROCESO ISOBÁRICO
Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el
trabajo realizado es:
 if
V
V
V
V
VVPdVPPdVW
f
i
f
i
 
P
Vi Vf
P
Para mantener la presión constante deberá
haber flujo de calor, y por lo tanto,
incremento en la energía interna
(temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = Cp dT
El subíndice indica que es capacidad
calorífica a presión constante.
PROCESO ISOVOLUMÉTRICO
Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o
isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: DU = Q
W = 0
Pf
V
P
Pi
Para incrementar la presión deberá
haber flujo de calor, y por lo tanto,
incremento en la energía interna
(temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = CV dT
Cv: Calor específico a volumen
constante
El subíndice indica que es capacidad
calorífica a volumen constante.
V
Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si
consideramos un gas ideal es trabajo es:







 
i
f
V
V
V
V
V
V
nRTW
dV
V
nRT
PdVW
f
i
f
i
ln
Pi
Pf
Vi Vf
P
f
i
PV = cte.
Isoterma
PROCESO ISOTÉRMICO
CP Y CV PARA GAS IDEAL
Para volumen constante
dU = dQV = CVdT
A presión constante
dU = –dWp + dQP = – pdV + Cp dT
Pero a presión constante pdV = nRdT
dU = – nRdT + Cp dT
Igualando términos
CVdT = – nRdT + Cp dT
Cancelando
CV = – nR + Cp o Cp = nR + CV
PROCESO ADIABÁTICO
.00 cteVppV  
En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema
y sus alrededores.
El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la
energía interna.
Se puede demostrar que la curva que describe esta
transformación es
adiabáticas
Donde  = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal
isotermas
Para una transformación adiabática
dU = dW o CVdT =  pdV
De la ley de los gases se obtiene
nRdT = pdV + Vdp
o
pdV
nR
VdppdV
CV 




 
pdV
C
nRC
Vdp
V
V 

V
dV
p
dp

Integrando se llega a .00 cteVppV  
EJEMPLO







i
f
V
V
nRTW ln
Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10
L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión?
¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este
proceso?
Q = W
Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso
isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas?
W = P(Vf – Vi) = nRT/Vi(Vf – Vi)
EJEMPLO
Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión
isobárica a 2.5 kPa. Si el volumen aumenta de 1 m3 a 3 m3, y si
12.5 kJ de energía se transfieren por calor, calcule a) el cambio
en la energía interna b) su temperatura final.
W = P(Vf – Vi) = 2.5k(3 – 1) = 5 kJ
U = – W + Q = – 5kJ + 12.5 kJ = 7.5 kJ
piVi /Ti = pf Vf /Tf , entonces
Tf = Ti pf Vf /(piVi) = (300)(2.5k)(3)/(2.5k)(1) = 900 K
TAREA
Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00
L a 2.00 L. En el proceso salen 400 J de energía de gas por
calor, a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas? b) ¿Cuál es
el cambio en su energía interna?
TAREA CASERA
Una bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará
la temperatura del plomo si el 80% de la energía se emplea en calentarlo? La masa de 1 mol
de plomo es 208 g.
Un trozo de cobre de 100 g se calienta de 0°C hasta 100°C, a la presión atmosférica. ¿Cuál es
el cambio de su energía interna?
El gas de un cilindro se deja expandir desde un volumen de 1.0 x 10–3 m3 hasta uno de 2.5 x
10–3 m3 y, al mismo tiempo, la presión varía linealmente con respecto al volumen, desde 1.3
atm iniciales, hasta una presión final de 0.85 atm. ¿Cuál es el trabajo efectado por el gas?
Se llevan tres moles de gas por un ciclo termodinámico de la figura. El ciclo consta de 1) una
expansión isotérmica de A → B a una temperatura de 400K, y una presión pA = 6.5 atm; 2)
una compresión isobárica de B → C a 1 atm; y 3) un aumento isicórico de presión C → A.
¿Qué trabajo se efectúa sobre el gas por ciclo?
6.5
1
T = 400K
A
B
C
p
V
TRANSFERENCIA DE CALOR
El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de
describir recibe el nombre de conducción. En este proceso, la
transferencia de energía térmica se puede ver en una escala
atómica como un intercambio de energía cinética entre
moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan
energía al chocar con las partículas más energéticas.
La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de
temperatura entre dos áreas del medio conductor.
La tasa a la cual fluye el calor es:
x
T
A
t
Q
D
D

D
LEY DE CONDUCCIÓN DE CALOR
La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el
símbolo de potencia P ):
dx
dT
kAP
Donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente
de temperatura.
T2
T1
Flujo de calor
por T2 > T1
A
dx
CONDUCCIÓN EN UNA BARRA
Aislante
Flujo de
energía
L
T1T2
T2>T1
L
TT
dx
dT 12 

 
L
TT
kA 12 
P
CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS
Sustancia
Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c)
Aluminio
Cobre
Oro
Hierro
Plomo
Plata
238
397
314
79.5
34.7
427
No metales (valores aproximados)
Asbestos
Concreto
Diamante
Vidrio
Hielo
Caucho
Agua
Madera
0.08
0.8
2300
0.8
2
0.2
0.6
0.08
Gases (a 20°C)
Aire
Helio
Hidrógeno
Nitrógeno
Oxígeno
0.0234
0.138
0.172
0.0234
0.0238
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA ENTRE DOS
PLACAS
 
1
1
11
L
TT
Ak

P
T2 T1k2 k1
L2 L1
T2>T1
 
2
2
22
L
TT
Ak

P
   
2
2
2
1
1
1
L
TT
Ak
L
TT
Ak




1221
212121
LkLk
TLkTLk
T



 
   2211
12
// kLkL
TTA


P
L/k se conoce como el valor R del material
 



i
iR
TTA 12
P
EJEMPLO
Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor y
0.200 cal/cm °C s de conductividad térmica. ¿Cuánta energía se pierde
cada segundo por calor cuando el vapor está a 200°C y el aire circundante
se encuentra a 20 °C? El tubo tiene una circunferencia de 20 cm y una
longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas a través de los extremos del tubo.
A = (0.20)(0.50) = 0.1 m2
P = (20)(0.1)(200 – 20)/(0.015) = 24,000 cal/s
TAREA
 
L
TT
kA 12 
P
Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared
de 4.00 cm de espesor está hecha con un material aislante. Un
calefactor eléctrico de 10.0 W dentro de la caja mantiene la
temperatura interior a 15.0 °C sobre la temperatura exterior.
Encuentre la conductividad térmica k del material aislante.
CONVECCIÓN
 infTThA
dt
dQ
ss 
El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se
denomina convección. La convección puede ser natural o
forzada.
Radiador
La ley de enfriamiento de Newton expresa la transferencia de calor
h – coeficiente de convección Ts – temparatura del cuerpo
As – área de contacto con el fluído Ts – temparatura del fluido
lejos del cuerpo.
RADIACIÓN
El calor también se transmite por la emisión de ondas
electromagnética, a este proceso se le llama radiación.
La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La
tasa a la cual un objeto emite energía radiante es
proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
P = sAeT 4
Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una
temperatura T0, entonces la energía que pierde por segundo
es
P = sAe(T 4 - T0
4)
DISCUSIÓN
Distinga claramente entre temperatura, calor y energía interna.
¿Qué está incorrecto en el siguiente enunciado; “Dados dos cuerpos
cualesquiera, el que tiene mayor temperatura contiene más calor”?
¿Por qué es capaz de retirar, con la mano sin protección, una hoja de aluminio
seco de un horno caliente; pero si la hoja está húmeda resultará con una
quemadura?
Un mosaico en el piso del baño puede sentirse desagradablemente frío en su pie
descalzo, pero un suelo alfombrado en una habitación adyacente a la misma
temperatura se sentirá caliente. ¿por qué?
suponga que sirve café caliente a sus invitados, y uno de ellos quiere beberlo
con crema, muchos minutos después, y tan caliente como sea posible. Para tener
al café más caliente, ¿la persona debe agregar la crema justo después de que se
sirve el café o justo antes de beberlo?. Explique.

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Conceptos bàsico de termodinámica y transferencia de calor

  • 1. INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS DE PARA EL ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR M.sc. Ing. Edisson Paguatian
  • 2. ENERGÍA INTERNA La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.
  • 3. ENERGÍA TÉRMICA La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica. Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema. Nota: La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.
  • 4. TERMODINÁMICA Es la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro y no hace referencia a cuanto dura este proceso. Rama de la Física que estudia los fenómenos inherentes a las transformaciones energéticas y sus efectos sobre el estado de la materia.
  • 5.
  • 6. CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGÍA  Energía total: E  Energía Microscópica: Grado de estructura molecular de un sistema:  Energía interna: U  UNIDADES  SI: joule(J) (kJ=1000 j)  S. ingles: Btu= 1,055056 kJ
  • 7. UNIDADES DE CALOR La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC. 1 Cal: = 4,1868 J La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63ºF a 64ºF.
  • 8. CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado. Q = C DT El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa. Tm Q m C c D  El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.
  • 9. EJEMPLO La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de agua en 3°C es: Q = mcDT = (0.5)(4186)(3) = 6.28 x 103 J. Donde C = 4186 J/kg °C
  • 10. CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS A 25°C Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA Calor específico Sustancia J/kg °C Cal/g °C Sólidos elementales Aluminio Berilio Cadmio Cobre Germanio Oro Hierro Plomo Silicio Plata 900 1830 230 387 322 129 448 128 703 234 0.215 0.436 0.055 0.0924 0.077 0.0308 0.107 0.0305 0.168 0.056 Otros sólidos Latón Vidrio Hielo (-5°C) Mármol Madera 380 837 2090 860 1700 0.092 0.200 0.50 0.21 0.41 Líquidos Alcohol (etílico) Mercurio Agua (15°C) 2400 140 4186 0.58 0.033 1.00 Gas Vapor (100°C) 2010 0.48
  • 11. CALORIMETRÍA    fxx wfww x TTm TTcm c    Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y se sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura final y con estos datos se puede calcular el calor específico. mw Tw< Tx mx Tx Tf antes después Qfrio = –Qcaliente mwcw(Tf – Tw) = – mxcx(Tf – Tx)
  • 12. EJEMPLO    fxx wfww x TTm TTcm c    Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a continuación se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22.4 °C, encuentre el calor específico del metal. =(0.4)(4186)(22.4 – 20)/((0.050)(200 – 22.4)) = 452.54
  • 13. TAREA El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de 10.0°C. El elemento cae una distancia total de 50.0 m. Suponiendo que toda su energía potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en el fondo de las cataratas. c = 4186 J/kg °C Q = mcDT
  • 14. CALOR LATENTE Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase. La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es Q = mL Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia. Existen dos tipos de calor latente: Lf – calor latente de fusión Lv – calor latente de vaporización
  • 15. ALGUNOS CALORES LATENTES Sustancia Punto de fusión (°C) Calor latente de fusión (J/kg) Punto de ebullición (°C) Calor Latente de vaporización (J/Kg) Helio Nitrógeno Oxígeno Alcohol etílico Agua Azufre Plomo Aluminio Plata Oro Cobre -269.65 -209.97 -218.79 -114 0.00 119 327.3 660 960.80 1063.00 1083 5.23x105 2.55x104 1.38x104 1.04x105 3.33x105 3.81x104 2.45x104 3.97x105 8.82x104 6.44x104 1.34x105 -268.93 -195.81 -182.97 78 100.00 444.60 1750 2450 2193 2660 1187 2.09x104 2.01x105 2.13x105 8.54x105 2.26x106 3.26x105 8.70x105 1.14x107 2.33x106 1.58x106 5.06x106
  • 16. Gráfica de la temperatura Vs. la Energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a –30°C se convierte en vapor a 120°C. Hielo Hielo + agua Agua Agua + vapor Vapor 62.7 396.7 815.7 3076 -30 0 50 100 T(°C) A B C D E Se calienta el hielo Se funde el hielo Se calienta el agua Se evapora el agua Se calienta el vapor 120
  • 17. Parte A. Q1 = miciDT = (1x10–3 )(2090)(30) = 62.7 J Parte B. Q2 = mLf = (1x10–3)(3.33x105) = 333 J Parte C. Q3 = mwcwDT = (1x10–3)(4.19x103)(100.0) = 419 J Parte D. Q4 = mLv = (1x10–3)(2.26x106) = 2.26x103 J Parte C. Q5 = mscsDT = (1x10–3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J
  • 18. EJEMPLO ¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de agua en un recipiente de vidrio de 100 g de 20.0 a 50.0 °C? Para enfriar el vapor Q1 = mcDT = m(2010)30 = 60300m J Para condensar el vapor se libera: Q2 = mLf = m(2.26x106) Para calentar el agua y el recipiente se requiere: Q3 = mwcwDT + mVcvDT = (0.2)(4186)(30) + (0.1)(837)(30) = 27627 Para enfriar el vapor (agua) de 100°C a 50°C Q3 = mcwDT = m(4186)(50) = 209300m Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente 60300m + 2260000m + 209300m = 27627 m = 10.9 g
  • 19. TAREA ¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -10.0°C a 50°C?
  • 20. CALORES ESPECÍFICOS DE GASES, LIQUIDOS Y SOLIDOS  Gas ideal: gas que obedece a la relación:  Pv= Rt o P=ρRT  P: presión absoluta  V: Volumen específico  T: temperatura termodinamica(o absoluta)  ρ : densidad  R: Constante del gas
  • 21.  pV = nRT  P(presión) en atmosferas(atm)  V(volumen) en litros(l)  T(temperatura) en la escala Kelvin(K)  n: Numero natural de moles (mol)  R :Constante de los gases ideales, que vale 0.082 (atm.L.)/(K*mol).
  • 22.  La ecuación muestra la relación que hay entre la medida de las distintas propiedades de un gas, de manera que puedes hallar la variable que falta despejando las demás.  El valor de R Puede determinarse experimentalmente. Si se tiene en cuenta que: P = (n/V) R T ; como n/V es la concentración molar del gas P = c R T . Cabe esperar que la representación de P frente a T sea una recta que pase por el origen de coordenadas y tenga de pendiente R .T
  • 23. DIAGRAMA P-V Presión Volumen V p T mayor T menor pV = nRT p = nRT/V Hipérbolas
  • 24. TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS TERMODINÁMICOS Gas contenido en un cilindro a una presión P efectúa trabajo sobre un émbolo móvil cuando el sistema se expande de un volumen V a un volumen V + dV. dW = Fdy = PAdy dW = PdV
  • 25. El trabajo total cuando el volumen cambia de Vi a Vf es:  f i V V PdVW El trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminada del sistema. El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.
  • 26. TRAYECTORIAS Pi Pf Vi Vf i f P V Pi Pf Vi Vf i f P Pi Pf Vi Vf P f i El trabajo realizado por un sistema depende de los estados inicial y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre dichos estados.
  • 27. TRABAJO Y CALOR Pared aislante Pared aislante Posición final Posición inicial Vacío Membrana Gas a T1 Gas a T1 Depósito de energía La energía transferida por calor, al igual que el trabajo realizado depende de los estados inicial y final e intermedios del sistema.
  • 28. EJEMPLO Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00 m3 en un proceso cuasi-estático para el cual P = aV2, con a = 5.00 atm/m6, como se muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión? P = aV2 P V 1.00m3 2.00m3 i f
  • 29. TAREA Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un volumen de 0.050 m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas si a) se expande a presión constante hasta el doble de su volumen inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta un cuarto de su volumen inicial?
  • 30. Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le llama energía interna U. Si se efectúa un trabajo sobre un sistema sin intercambiar calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al negativo trabajo realizado: dU = – dW infinitesimal UB – UA = – WA  B finito La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las variables termodinámicas. ENERGÍA TÉRMICA
  • 31. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema: DU = UB  UA =  WA  B + QA  B Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica. Para cambios infinitesimales la primera ley es: dU = dW + dQ Si la cantidad Q – W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.
  • 32. CONSECUENCIAS DE LA 1A. LEY Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero. Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, DU = 0. En un proceso cíclico el cambio en la energía interna es cero. En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al trabajo W realizado. Q = W, DU = 0 En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es igual al área encerrada por la trayectoria que representa el proceso sobre un diagrama PV. P Trabajo = Calor = Área V
  • 33. APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY Un trabajo es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso: DU =  W Expansión libre adiabática Para la expansión libre adiabática Q = 0 y W = 0, DU = 0 La temperatura de un gas ideal que sufre una expansión libre permanece constante. Como el volumen del gas cambia, la energía interna debe ser independiente del volumen, por lo tanto Uideal = U(T) vacío Gas a Ti membrana Muro aislante Tf = Ti membrana
  • 34. PROCESO ISOBÁRICO Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:  if V V V V VVPdVPPdVW f i f i   P Vi Vf P Para mantener la presión constante deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura) El flujo de calor en este caso es: dQ = Cp dT El subíndice indica que es capacidad calorífica a presión constante.
  • 35. PROCESO ISOVOLUMÉTRICO Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: DU = Q W = 0 Pf V P Pi Para incrementar la presión deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura) El flujo de calor en este caso es: dQ = CV dT Cv: Calor específico a volumen constante El subíndice indica que es capacidad calorífica a volumen constante. V
  • 36. Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas ideal es trabajo es:          i f V V V V V V nRTW dV V nRT PdVW f i f i ln Pi Pf Vi Vf P f i PV = cte. Isoterma PROCESO ISOTÉRMICO
  • 37. CP Y CV PARA GAS IDEAL Para volumen constante dU = dQV = CVdT A presión constante dU = –dWp + dQP = – pdV + Cp dT Pero a presión constante pdV = nRdT dU = – nRdT + Cp dT Igualando términos CVdT = – nRdT + Cp dT Cancelando CV = – nR + Cp o Cp = nR + CV
  • 38. PROCESO ADIABÁTICO .00 cteVppV   En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores. El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna. Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es adiabáticas Donde  = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal isotermas
  • 39. Para una transformación adiabática dU = dW o CVdT =  pdV De la ley de los gases se obtiene nRdT = pdV + Vdp o pdV nR VdppdV CV        pdV C nRC Vdp V V   V dV p dp  Integrando se llega a .00 cteVppV  
  • 40. EJEMPLO        i f V V nRTW ln Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10 L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión? ¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este proceso? Q = W Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas? W = P(Vf – Vi) = nRT/Vi(Vf – Vi)
  • 41. EJEMPLO Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión isobárica a 2.5 kPa. Si el volumen aumenta de 1 m3 a 3 m3, y si 12.5 kJ de energía se transfieren por calor, calcule a) el cambio en la energía interna b) su temperatura final. W = P(Vf – Vi) = 2.5k(3 – 1) = 5 kJ U = – W + Q = – 5kJ + 12.5 kJ = 7.5 kJ piVi /Ti = pf Vf /Tf , entonces Tf = Ti pf Vf /(piVi) = (300)(2.5k)(3)/(2.5k)(1) = 900 K
  • 42. TAREA Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00 L a 2.00 L. En el proceso salen 400 J de energía de gas por calor, a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas? b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?
  • 43. TAREA CASERA Una bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará la temperatura del plomo si el 80% de la energía se emplea en calentarlo? La masa de 1 mol de plomo es 208 g. Un trozo de cobre de 100 g se calienta de 0°C hasta 100°C, a la presión atmosférica. ¿Cuál es el cambio de su energía interna? El gas de un cilindro se deja expandir desde un volumen de 1.0 x 10–3 m3 hasta uno de 2.5 x 10–3 m3 y, al mismo tiempo, la presión varía linealmente con respecto al volumen, desde 1.3 atm iniciales, hasta una presión final de 0.85 atm. ¿Cuál es el trabajo efectado por el gas? Se llevan tres moles de gas por un ciclo termodinámico de la figura. El ciclo consta de 1) una expansión isotérmica de A → B a una temperatura de 400K, y una presión pA = 6.5 atm; 2) una compresión isobárica de B → C a 1 atm; y 3) un aumento isicórico de presión C → A. ¿Qué trabajo se efectúa sobre el gas por ciclo? 6.5 1 T = 400K A B C p V
  • 44. TRANSFERENCIA DE CALOR El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas. La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas del medio conductor. La tasa a la cual fluye el calor es: x T A t Q D D  D
  • 45. LEY DE CONDUCCIÓN DE CALOR La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el símbolo de potencia P ): dx dT kAP Donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura. T2 T1 Flujo de calor por T2 > T1 A dx
  • 46. CONDUCCIÓN EN UNA BARRA Aislante Flujo de energía L T1T2 T2>T1 L TT dx dT 12     L TT kA 12  P
  • 47. CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS Sustancia Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c) Aluminio Cobre Oro Hierro Plomo Plata 238 397 314 79.5 34.7 427 No metales (valores aproximados) Asbestos Concreto Diamante Vidrio Hielo Caucho Agua Madera 0.08 0.8 2300 0.8 2 0.2 0.6 0.08 Gases (a 20°C) Aire Helio Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno 0.0234 0.138 0.172 0.0234 0.0238
  • 48. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA ENTRE DOS PLACAS   1 1 11 L TT Ak  P T2 T1k2 k1 L2 L1 T2>T1   2 2 22 L TT Ak  P     2 2 2 1 1 1 L TT Ak L TT Ak     1221 212121 LkLk TLkTLk T         2211 12 // kLkL TTA   P L/k se conoce como el valor R del material      i iR TTA 12 P
  • 49. EJEMPLO Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor y 0.200 cal/cm °C s de conductividad térmica. ¿Cuánta energía se pierde cada segundo por calor cuando el vapor está a 200°C y el aire circundante se encuentra a 20 °C? El tubo tiene una circunferencia de 20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas a través de los extremos del tubo. A = (0.20)(0.50) = 0.1 m2 P = (20)(0.1)(200 – 20)/(0.015) = 24,000 cal/s
  • 50. TAREA   L TT kA 12  P Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared de 4.00 cm de espesor está hecha con un material aislante. Un calefactor eléctrico de 10.0 W dentro de la caja mantiene la temperatura interior a 15.0 °C sobre la temperatura exterior. Encuentre la conductividad térmica k del material aislante.
  • 51. CONVECCIÓN  infTThA dt dQ ss  El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina convección. La convección puede ser natural o forzada. Radiador La ley de enfriamiento de Newton expresa la transferencia de calor h – coeficiente de convección Ts – temparatura del cuerpo As – área de contacto con el fluído Ts – temparatura del fluido lejos del cuerpo.
  • 52. RADIACIÓN El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este proceso se le llama radiación. La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La tasa a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. P = sAeT 4 Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T0, entonces la energía que pierde por segundo es P = sAe(T 4 - T0 4)
  • 53. DISCUSIÓN Distinga claramente entre temperatura, calor y energía interna. ¿Qué está incorrecto en el siguiente enunciado; “Dados dos cuerpos cualesquiera, el que tiene mayor temperatura contiene más calor”? ¿Por qué es capaz de retirar, con la mano sin protección, una hoja de aluminio seco de un horno caliente; pero si la hoja está húmeda resultará con una quemadura? Un mosaico en el piso del baño puede sentirse desagradablemente frío en su pie descalzo, pero un suelo alfombrado en una habitación adyacente a la misma temperatura se sentirá caliente. ¿por qué? suponga que sirve café caliente a sus invitados, y uno de ellos quiere beberlo con crema, muchos minutos después, y tan caliente como sea posible. Para tener al café más caliente, ¿la persona debe agregar la crema justo después de que se sirve el café o justo antes de beberlo?. Explique.