El documento trata sobre la expansión térmica de sólidos y líquidos, la termodinámica, la calorimetría y la transmisión de calor. Describe conceptos clave como temperatura, equilibrio térmico, dilatación y calor específico, así como la aplicación de termómetros y las propiedades térmicas de varios materiales. También incluye ejemplos de cálculos relacionados con la transferencia de calor y cambios de fase.

1. Yuri Milachay, Lily Arrascue Semana 9 Sesión 1 Expansión térmica de sólidos y líquidos. Calorimetría. Transferencia de calor. Metabolismo y pérdida de masa.

2. Temperatura y Calor La temperatura es una magnitud física fundamental que está relacionada con el grado de oscilación de las partículas que conforman un cuerpo o medio y n os indica si un cuerpo está más frío o más caliente que otro. La temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. La temperatura se mide en dos escalas distintas: absoluta y relativa (Celsius, Fahrenheit). Su unidad de medida en el SI es K ( kelvin ). En la tabla se aprecia la relación entre las escalas.  459,67°F 32°F 212°F Fahrenheit 0 K  273,15°C Cero absoluto 273,15 K 0°C Fusión del hielo 373,15 K 100°C Ebullición del agua Kelvin Celsius (Valores a 1 atm)

3. Dos sistemas están en contacto térmico , cuando hay posibilidad de intercambio de calor entre ellos. Los sistemas que están en equilibrio térmico no intercambian calor, aun estando en contacto térmico. “ Si dos sistemas termodinámicos, A y B, están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema C, estarán en equilibrio térmico entre ellos ”. Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menor temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos “equilibrio térmico". Ley cero de la termodinámica A B C

4. Principio de funcionamiento de los termómetros Con la ley cero de la termodinámica se establece el principio de funcionamiento de los termómetros por cuanto se señala que dos cuerpos podrán llegar al equilibrio térmico, y que en ese estado sus temperaturas serán las mismas. Termómetro clínico de mercurio . El calor corporal dilata el mercurio contenido dentro del bulbo. Termómetros clínicos digitales . El calor corporal produce un cambio de voltaje en el chip de estos termómetros, lo cual se traduce electrónicamente a una escala de temperatura. Termómetros clínicos de radiación . El cuerpo humano emite radiación electromagnética, la cual está asociada a determinados niveles de temperatura. Por ejemplo, los termómetros de oído poseen detector de ondas infrarrojas. http://fisica.usach.cl/~jlay/licfismat/pdf/termometria.pdf

5. Expansión térmica. Dilatación lineal A la variación en las dimensiones de un cuerpo causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina expansión térmica. Este fenómeno se debe a que al incrementar la amplitud de la oscilación de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio, en promedio ocupan más espacio. Dilatación lineal es aquella en la que predomina la variación en una dimensión de un cuerpo, es decir: el largo .  es el coeficiente de expansión lineal http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29701428/salud/piel.htm Nuevo espacio ocupado Antiguo espacio ocupado

6. Coeficientes de dilatación lineal 2,0 x 10 -5 latón 2,4 x 10 -5 Aluminio 1,2 x 10 -5 Acero 4,0 x 10 -7 Cuarzo 4,0 a 9,0 x 10 -6 Vidrio 1,7 x 10 -5 Cobre α (K -1 , º C -1 ) Material

7. Dilatación superficial y volumétrica Si consideramos materiales en dos y tres dimensiones, la variación que sufre el área y el volumen del objeto sigue un comportamiento semejante al observado en una dimensión:  es el coeficiente de expansión superficial  es el coeficiente de expansión volumétrico

8. Dilatación térmica: casos Para que las dilataciones y contracciones térmicas se produzcan sin daño, en las vías de ferrocarriles o en las grandes estructuras metálicas o de concreto armado, se dejan juntas de dilatación. Los materiales cerámicos son muy sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Igualmente sensible es el esmalte de las piezas dentales, las cuales, ante un sometimiento brusco de expansión-compresión , se pueden fracturar.

9. Una varilla de aluminio tiene una longitud de 1,00 m a 30,0 ºC . La temperatura disminuye a 10,0 ºC y después se eleva de nuevo a 30,0 ºC . ¿Continúa siendo de 1,00 m la longitud de la varilla? Solución: Caso 1: longitud final cuando baja la temperatura. Caso 2: longitud final cuando sube la temperatura a 30,0ºC Ejercicio de aplicación La banda de la figura tiene forma circular y es de acero inoxidable (  = 1,73  10  5 °C  1 ). Si la banda se ajusta perfectamente sobre el diente a una temperatura de 37,0°C , ¿a qué temperatura el cambio relativo en la longitud de la banda,  L / L 0 , será de 0,000 10 ? Solución  =2,4 x 10 -5 ºC -1 L 1 = 99,952 cm L 2 = 1,00 cm Δ T 1 = -20,0 ºC  T 2 = 20,0 ºC

10. Ejercicio de aplicación Un recipiente de vidrio de 250 cm 3 se llena totalmente de glicerina a 20,0 ºC . Si se calienta a 35,0 ºC , ¿cuánta glicerina se derramará? Solución: Un termómetro de mercurio tiene un depósito de 0,650 cm 3 y un capilar cuya área de la sección transversal es 0,120 mm 2 medidos a 0,0ºC . A esta temperatura el depósito está justamente lleno de mercurio. ¿Qué altura alcanzará el mercurio a 100ºC ? Solución:  vid =9,0 x 10 -6 ºC -1  g =4,9 x 10 -4 ºC -1 Rpta: 1,7 cm 3  vid =9,0 x 10 -6 ºC -1  Hg =1,8 x 10 -4 ºC -1 Volumen de mercurio que sale del capilar: V D vidrio = V 0 (1+3  T) V Hg = V 0 (1+  Hg  T) V Hg - V D Vidrio A = A 0 (1+2  vidrio Δ T) V Hg - V D Vidrio = Ah Rpta :83 mm V Hg - V D Vidrio = A 0 (1+2  vidrio Δ T)h

11. Lily Arrascue Calorimetría

12. Calorimetría El calor es la forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperaturas. En el SI, joule (J) 1 caloría (cal) Es la cantidad de energía que es necesaria transferir para aumentar la temperatura de 1 g de agua de 13,5°C a 14,5°C . 1 cal = 4,186 J El calor que se transfiere a un sistema puede ser positivo o negativo, este ultimo si es calor que se extrae del sistema. Autoclave para la esterilización : Una autoclave utiliza vapor de agua a presión para esterilizar objetos mediante calor. La mayoría de los autoclaves están diseñadas de manera que el mismo vapor hace salir el aire de la cámara. En caso contrario, los objetos que quedarán en las bolsas de aire no se esterilizarían. También están equipados con indicadores que comprueban que se alcanza la temperatura precisa y se mantiene durante el tiempo necesario para la esterilización. http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/microbiologia/unidades/documen/uni_02/56/cap308.htm

13. Calor específico (c) La cantidad de calor necesaria para hacer variar la temperatura de un sistema es proporcional a la masa de éste y al cambio de temperatura. c – recibe el nombre de calor específico y es una magnitud característica del material. En el SI  Q = m c  T c H20 = 4 186 J/kg K

14. Tabla de calores específicos ¿Porqué el agua demora en hervir en una cocina, aunque el recipiente que lo contiene alcanza una temperatura alta con gran rapidez? Respuesta. El agua necesita más calor que el recipiente (aluminio o vidrio) para aumentar su temperatura en 1°C . 2 010 0,480 Vapor de agua 837 0,200 Vidrio Calor específico 0,831 0,215 0,500 1,00 Cuerpo humano Aluminio Hielo Agua Sustancia 3 480 900 2 090 4 186

15. Ejercicio de aplicación En un frío día de invierno cuando la temperatura es de -20°C , ¿Cuánto calor se necesita para calentar a temperatura corporal 37°C los 0,50 L de aire intercambiados con cada respiración? ¿Cuánto calor se pierde por hora si se respira 20 veces por minuto ? Solución: c aire = 1 020 J/kg°C 1,0 L de aire tiene una masa de 1,3 x 10 -3 kg . Rpta: a) 38 J, b) 4,5 x10 4 J Presa de la gripe, un hombre de 80,0 kg tuvo una temperatura corporal de 39,0°C . ¿Cuánto calor se requirió para elevar su temperatura en esa cantidad? Considere que la temperatura inicial fue de 37,0°C . Solución:

16. Ejercicio de aplicación Un estudiante ingiere una comida de 2000 Calorías alimenticias. El estudiante desea realizar una cantidad equivalente de trabajo en el gimnasio levantando una masa de 50,0 kg . ¿Cuántas veces debe elevar este peso para gastar esa cantidad de energía? El estudiante levanta la masa una distancia de 2,00 m por vez y no realiza trabajo alguno al dejarla caer. Solución: El trabajo al levantar la masa es:

17. Todos los cambios de fase implican cambios en la energía interna. El calor que se requiere para cambiar de fase se llama calor de transformación. El calor de transformación de fase de una masa m se calcula por Calor latente: Cambios de fase El proceso es reversible , esto es, para convertir 1 kg de agua liquida en 1 kg de hielo es necesario extraer del sistema 3,34 x 10 5 joule y viceversa. Agua : L v = 2,256 10 6 J/kg L v = 539 cal/g L f = 3,34 10 5 J/kg L f = 79,6 cal/g

18. Ejercicio de aplicación Una tetera de aluminio de 150 kg que contiene 1,80 kg de agua se pone en la estufa. Si no se pierde calor al entorno, ¿cuánto calor debe agregarse para elevar la temperatura de 20,0°C a 85,0°C ? Solución: Cuánto calor se requiere para convertir 12,0 g de hielo a 10,0°C a vapor a 100,0°C ? Solución:

19. Ejercicio de aplicación Qué rapidez inicial debe tener una bala de plomo a 25,0°C para que el calor desarrollado cuando se detiene sea apenas suficiente para derretirla. Suponga que toda la energía mecánica de la bala se convierte en calor y que no fluya calor de la bala a su entorno. Un rifle ordinario tiene una rapidez de salida mayor que la rapidez del sonido en aire, que es 347 m/s a 25,0°C . Solución:

20. Lily Ararscue, Yuri Milachay Propagación del calor: Conducción, Radiación y Convección

21. Conducción del calor Cuando se calienta una barra de hierro a la cual hay sujetas con cera unas puntas o unos clips.

22. Conducción En el fenómeno de conducción las moléculas colisionan contra las vecinas de modo que comparten energía cinética. Aislante térmico es un material que no permite el paso del calor entre dos sistemas que no están en equilibrio térmico. Un conductor térmico es un material que facilita el paso del calor entre dos sistemas térmicos que están a diferentes temperaturas. Calor

23. Cuando los dos extremos de una barra tienen diferentes temperaturas, se produce conducción de calor de uno a otro extremo. Experimentalmente, se deduce que el flujo calorífico es directamente proporcional a la sección S del cuerpo y a la diferencia de temperatura por unidad de longitud. S – área transversal de flujo K – conductividad térmica H también es conocido como ritmo metabólico y se mide en J/s, W o cal/s . Conducción del calor

24. Conductividades térmicas de sustancias 79 Acero 0,59-0,60 Agua 0,2 Hule 1,7-2 Hielo 0,8 Vidrio: Hormigón 2.300 Diamante 0,8 Concreto 0,08 Asbestos. Madera No metales (valores aproximados) 427 Plata 34,7 Plomo 79,5 Hierro 314 Oro 397 Cobre 238 Aluminio Metales (a 25 ºC) Conductividad térmica (W/m ºC ) Sustancia 0,019 Vello 0,04 Fieltro. Lana mineral 0,2 Músculo animal. Grasa Otros materiales 0,0238 Oxígeno 0,0234 Nitrógeno 0,172 Hidrógeno 0,138 Helio 0,0234 Aire Gases (a 25 ºC ) Conductividad térmica (W/m ºC ) Sustancia

25. Transmisión de calor por conducción Las ventanas de doble cristal con cámara de aire aíslan bien y evitan las pérdidas de calor, al contrario de lo que sucede con las ventanas de un solo cristal. ¿Cuál podría ser la explicación?

26. Ejercicios de aplicación Una habitación tiene una ventana de 3,0 m 2 de superficie con un vidrio de 1,0 cm de espesor. La temperatura del aire exterior es de 3,0°C . ¿A qué temperatura podrá llegar la habitación si la calentamos con una estufa de 1 000 W? K vidrio = 0,84 W/m°C . Solución: El ritmo metabólico de un alumno en un examen es de 100 kcal/h . ¿Qué temperatura alcanzará un aula con 50 alumnos en un examen, si la temperatura del exterior es de 15°C y los alumnos liberan el 50% de su energía metabólica en forma de calor? El aula tiene 10 m 2 de ventanas con un espesor de 1,0 cm. K vidrio = 0,84 W/m°C . Solución:

27. Convección de calor Cuando un fluido se calienta, sus partículas se mueven más rápido, se separan más unas de otras y el fluido se hace menos denso y sube. Cuando se enfría, se hace más denso y baja: se crean unas corrientes (verticales), las cuales son denominadas corrientes de convección . Estas corrientes tienden a distribuir el calor por toda la masa del fluido. En un fluido, la mayor parte del calor es transportado de una parte a otra del cuerpo por el mismo fluido. Se produce también desplazamiento de la masa de líquido o de gas, arrastrada por las corrientes convectivas. La Tasa de transmisión de calor por convección Donde A es el área superficial del cuerpo en contacto con el ambiente circundante y h es el coeficiente de transferencia por convección.

28. Convección y acondicionamiento del ambiente ¿Por qué la calefacción se instala en la parte baja? ¿Por qué el aire acondicionado se instala en la parte alta?

29. Ejemplo de aplicación ¿Qué cantidad de calor perderá por convección una persona desnuda de 1,5 m 2 de superficie si está en contacto con aire a 0°C y la piel está a 30°C? Considere h = 1,7  10  3 kcal/(s  m 2  °C). Solución

30. Se produce en medios no materiales, como espacio interplanetario, y hace posible, por ejemplo, que llegue a la Tierra el calor que despide el Sol. El calor es una forma de radiación como la luz pero de longitud de onda más larga, radiación infrarroja. Los cuerpos calientes emiten radiación electromagnética. Los objetos, además de emitir este tipo de radiación, también la absorben. La transferencia de calor por radiación se produce cuando un objeto más caliente emite radiación electromagnética y otro más frío la absorbe. Radiación Caliente Frío

31. Transmisión de calor: Radiación En la figura se aprecia un termograma. Detecta las radiaciones y el programa establece una relación entre la temperatura del emisor y la frecuencia de la radiación. La cantidad de calor por unidad de tiempo, H , cedida por un cuerpo de área A , a temperatura absoluta T se expresa mediante la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual: σ = 5,67  10  8 W/(m 2  K 4 ) e es el coeficiente de emisividad (entre 0 y 1) Si un cuerpo a temperatura absoluta T está rodeado por material a temperatura T s , la corriente de calor neta del cuerpo a su entorno es: http:// www.termografia.com /paginas/aplicaciones/ medicina.htm

32. Ejercicios de aplicación Si el área superficial total del cuerpo humano es de 1,2 m 2 y la temperatura superficial es de 30°C, (a) calcule la razón total de radiación de energía del cuerpo. (b) Si el entorno está a 20°C, calcule la razón neta de pérdida de calor del cuerpo por radiación. Considere e = 1. Solución (a) El cuerpo emite: (b) La razón neta de transferencia de energía es: Un termómetro de oído mide la radiación emitida por el tímpano. ¿En qué porcentaje aumenta la razón de radiación si la temperatura del tímpano aumenta de 37,00°C a 37,10°C? Solución El aumento porcentual es de 0,13%.