El documento presenta los principios fundamentales de la ingeniería térmica, incluyendo conceptos como calor, temperatura, transferencia de calor, escalas termométricas, capacidad y calor específico. Explica las tres formas en que se propaga el calor (conducción, convección y radiación) y las unidades para medir el calor. También presenta información sobre la energía solar, su intensidad y transformación. Por último, proporciona un ejemplo de cálculo de la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una barra de pl

1. Dr. Faustino Maldonado Tijerina
Ingeniería Térmica

2. Principios fundamentales de la
Ingeniería Térmica
 El calor es una energía que fluye de los cuerpos más
calientes hacia los más fríos.

3. La temperatura indica que tan caliente o fría está
una substancia y se mide con un termómetro

4. El calor es el parámetro que describe las interacciones de un
sistema con otro, dado que corresponde a la cantidad de
energía que se transfiere de un sistema a otro

5. Todo cuerpo o sistema, debido a su temperatura tiene la
capacidad de transferir energía a otro cuerpo o sistema cuya
temperatura sea inferior

6. Escalas termométricas: grados Celsius,
Kelvin y Fahrenheit
 1.- Convertir 100 grados Celsius o Centígrados en grados Kelvin.
 Para ello basta con sumarle 273 a los grados Celsius dados, de la siguiente
manera: K = 100 + 273 = 373 grados Kelvin.
 2.- Convertir 273 grados Kelvin a grados Centígrados.
 Del ejercicio anterior surgió la fórmula K = C + 273, DESPEJANDO DE ESTA
FORMULA SE OBTIENE: C = K – 273, grados centígrados = grados kelvin – 273.
Por lo tanto: C = 273 – 273 = 0 LO QUE SIGNIFICA QUE 273 GRADOS KELVIN ES
IGUAL A CERO GRADOS CENTIGRADOS.


7. Convertir de grados Celsius
o Centígrados a Fahrenheit
 1.- Convertir 0 grados Celsius a grados Fahrenheit.
 Se aplica la siguiente fórmula: grados Fahrenheit =
(9/5) (C) + 32
 Aplicando la formula y substituyendo los valores, se
tiene lo siguiente:
 Grados Fahrenheit = (9/5) (0) + 32 = (1.8)(0) + 32 =
0 + 32 = 32.
 2.- Convertir 212 grados Fahrenheit a grados
Celsius o centígrados.
 Despejando los grados Celsius de la formula
anterior, se obtiene que los grados Celsius = (los
grados Fahrenheit – 32) / 1.8 = (212 – 32) / 1.8 =
100 grados Celsius.

8. Ejercicios propuestos
 1.- Convertir 50 grados Celsius a grados kelvin
 2.- 120 grados Celsius a grados kelvin
 3.- 380 grados kelvin a grados Celsius
 4.- 210 grados kelvin a grados Celsius
 5.- 60 grados Celsius a grados Fahrenheit
 6.- 98 grados Celsius a grados Fahrenheit
 7.- 50 grados Fahrenheit a grados Celsius
 8.- 130 grados Fahrenheit a grados Celsius

9. Formas de la
propagación del
calor
 El calor o energía calorífica o energía térmica,
siempre se propaga de los cuerpos calientes hacia
los cuerpos fríos, de tres formas diferentes:
 1.- por conducción, ocurre cuando el calor o
energía térmica se propaga a través de un cuerpo
sólido, debido al choque entre sus moléculas, o
energía cinética molecular. Por ejemplo, cuando el
cautín caliente hace contacto con la soldadura y
los cuerpos que se pretenden soldar.
 2.- por convección, sucede cuando la propagación
del calor o energía térmica es causada por el
movimiento de la substancia caliente. Cuando
sopla el viento caliente hacia los lugares mas
frescos durante el verano.
 3.- por radiación, es la propagación de la energía
térmica a través de ondas electromagnéticas
esparcidas, incluso en el vacío a la velocidad de
300,000 kilómetros por segundo. Por ejemplo la
radiación solar.

10. La energía solar, su
medida y transformación
 La energía del sol se genera por reacciones
termonucleares de fusión. La fusión nuclear,
se produce debido a la unión de dos o mas
núcleos de átomos ligeros en un solo núcleo
de mayor masa.
 Siempre que dos núcleos ligeros se unen
para formar otro mas pesado, la masa del
producto es menor que la suma de los
primeros. La diferencia de masa, es decir, la
parte de la materia faltante, se ha
convertido en energía.

11. Intensidad de la radiación solar
 La energía radiante que llega del sol proporciona energía calorífica o térmica. Esta
se aprovecha para calentar agua destinada para uso domestico en algunos edificios
y en casas, también para el funcionamiento de diversos tipos de motores provistos
de celdas solares.
 Cada centímetro cuadrado de la superficie de la tierra iluminado
perpendicularmente por los rayos solares, recibe 1.4 kilocalorías por minuto,
equivalentes a 14,000 calorías, 14 kilocalorías son equivalentes a 58.8 kilo Joules
por minuto, en una superficie de un metro cuadrado.
 Con fundamento en lo anterior, se puede definir la intensidad de la radiación solar,
como la potencia de la radiación recibida del sol en un area de un metro
cuadrado. De donde:
 La intensidad de la radiación solar = Potencia / Área expresada en kilowatts por
metro cuadrado. Como la potencia es la energía liberada entre el tiempo, se
tiene: Potencia = 58.8 kilo Joules / 60 segundos = 0.98 kilowatts.

12. Intensidad de la radiación
solar
 Para determinar la intensidad de la radiación solar, se
divide la potencia entre el área, es decir entre un
metro cuadrado, como sigue:
 Intensidad de la radiación solar = Potencia / Área =
0.98 kW / 1metro cuadrado = 0.98 kilowatts / metro
cuadrado.
 Es importante mencionar que la intensidad de la
energía solar que recibe cada metro cuadrado de la
parte externa de la atmosfera terrestre, iluminada
perpendicularmente por los rayos solares, tiene un
valor de 1.4 kilowatts por metro cuadrado. Pero solo
llegan a la superficie terrestre 0.98 kilowatts por
cada metro cuadrado. Porque 0.42 kilowatts por
metro cuadrado, son absorbidos por la atmosfera
protectora del planeta azul.

13. Unidades para medir el calor o energía
térmica
 Como se ha mencionado, el calor es una forma de energía llamada energía
calorífica o también energía térmica. Por esta razón las unidades para medir
el calor, son las mismas del trabajo mecánico y de la energía.
 1.- Sistema internacional de unidades (SI):
 Joule = Newton metro = Nm = J
 2.- Sistema CGS:
 Ergio = dina centímetro = dina cm, recuérdese que: Un Joule = 10 millones de
ergios. Además de estas unidades, aun se utilizan la caloría y el BTU, que se
describen en la próxima diapositiva.

14. La caloría, kilocaloría y el BTU
 Caloría, es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua, para elevar su
temperatura en un grado Celsius.
 Kilocaloría, es un múltiplo de la caloría y equivale a:
 Una kilocaloría = 1000 calorías
 Como se indicó aún se utiliza el sistema inglés a pesar de los inconvenientes
que presenta. Por ello es necesario describir la unidad de calor utilizada por
el sistema inglés, que es el BTU, de sus siglas en inglés: British Thermal Unit.
 BTU, es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua, 454 gramos, para
elevar su temperatura en un grado Fahrenheit:
 Un BTU = 252 calorías = 0.252 kilocalorías.

15. Capacidad calorífica
 Los experimentos de laboratorio han demostrado que suministrar la misma
cantidad de calor a dos substancias diferentes, el aumento de temperatura no
es el mismo, por consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que
tiene una substancia cuando recibe calor, se emplea su capacidad calorífica.
 La que se define como la relacion existente entre la cantidad de calor ΔQ y su
correspondiente elevación de temperatura ΔT. Por lo tanto, la capacidad
calorífica de una substancia = ΔQ / ΔT.
 Como el calor se puede expresar en calorías, kilocalorías, Joules, ergios o BTU
y la temperatura en grados Celsius, Fahrenheit o grados Kelvin; las unidades
de la capacidad calorífica pueden ser en calorías / grados Celsius, Kilocalorías
/ grados Celsius, Joules / grados Celsius, Joules / grados Kelvin, ergios /
grados Celsius, BTU /grados Fahrenheit.

16. Calor específico
 Puesto que la capacidad calorífica de una substancia es la relacion entre el
calor recibido y su variación de temperatura; si se calientas diferentes masas
de una substancia, se observa que la capacidad calorífica es distinta.
 Por ejemplo, al calentar dos trozos de hierro uno de dos kilogramos y otro de
diez kilogramos, la relacion ΔQ/ΔT = C es diferente entre los dos trozos,
aunque se trata de la misma substancia. Pero si se divide el valor su
capacidad calorífica de cada trozo de hierro entre su masa, se encuentra 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 llama calor especifico y es una propiedad
característica de la materia.

17. Calor específico
 Por definición: el calor específico Ce de
una substancia es igual a la capacidad
calorífica C de dicha substancia entre
su masa m. Expresando esto que se
acaba de decir matemáticamente, se
tiene: Ce = C/m como C = ΔQ/ΔT,
entonces, Ce = ΔQ/Mδt, por lo tanto: Q
= mCeΔT.
 En términos prácticos, el calor
especifico se define como la cantidad
de calor que necesita un gramo de una
substancia, para elevar su temperatura
un grado Celsius.

18. Cuadro de calores
específicos
Substancia
Calor específico en calorías / gramo
grado Celsius
Agua 1.00
Hielo 0.50
Vapor 0.48
Hierro 0.113
Cobre 0.093
Aluminio 0.217
Plata 0.056
Vidrio 0.199
Mercurio 0.033
Plomo 0.031

19. Solución de problemas
 ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 12 kilogramos,
para que se eleve su temperatura de 22 grados Celsius a 90 grados Celsius?
 Solución:
 Fórmula: Q = mCeΔT
 m = 12 kilogramos = 12,000 gramos
 T inicial = 22 grados Celsius
 T final = 90 grados Celsius
 Ce de la plata = 0.056 calorías / gramo grado Celsius
 Substituyendo los valores en la fórmula:
 Q = (12,000 gramos) (0.056 cal/g C) (90 C – 22 C) = 45,696 calorías.

20. Problema propuesto
 ¿Qué cantidad de calor se le debe aplicar a un tubo de cobre de 5 kilogramos
para que eleve su temperatura de 30 grados Celsius a 50 grados Celsius?