Post on 13-Nov-2021
Termodinámica I
7.1.- Características de los fluidos,
presión, unidades de presión.
Características de los fluidos, presión,
unidades de presión.
1. Viscosidad: es la medida de la
resistencia interna de un fluido a
desplazarse o moverse.
2. Tensión superficial: la resistencia de los
líquidos a los sólidos que entran en
contacto con ellos, comportándose como
una membrana elástica
3. Cohesión: es la fuerza de atracción que
mantiene unidas a las moléculas de una
misma sustancia.
4. Adhesión o Adherencia: es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes que se ponen en contacto; generalmente un líquido con un sólido
5. Capilaridad: consiste en el ascenso o
descenso de un líquido dentro de un
tubo de diámetro pequeño llamado
capilar.
6. Densidad: La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en la unidad de volumen.
7. Peso Específico: El peso específico de una sustancia se define como el peso de la sustancia por unidad de volumen
8. Presión: se define como la fuerza por cada unidad de área, sobre la cual actúa.
9. Osmosis: fenómeno físico relacionado
con el movimiento de un disolvente
líquido atraves de una membrana
semipermeable
10. Difusión: es el esparcimiento de un
líquido en otro (difundir)
Presión
Magnitud que relaciona la fuerza con la
superficie sobre la que actúa
P = presión (Pa) F = Fuerza(N) A = área o superficie (m)
A
P
F
Ejemplo Sobre un líquido encerrado en un recipiente se aplica una fuerza de 100 N mediante un pistón que tiene un área de 0.01 m2. ¿Cuál es el valor de la presión?
Datos:
F = 100 N A = 0.01 m2 P = ?
Fórmula:
Sustitución y resultado:
P = 10 000 N/m2 (Pa)
Unidades de presión.
1 atm = 760 mHg
1 atm = 101.325 Pa =1.03x105 Pa
1 mmbar = 100 Pa
1 Kgf = 9.8 N
1 Kgf = 2.2 bf
1 pulg = 2.54 cm = 0.0254m
7.2.- Presión Hidrostatica, Presión
Atmosférica, Presión manométrica, Presión
Absoluta.
Presión Hidrostática
Es la que ejerce un líquido en reposo a una determinada profundidad, contenido en un recipiente origina una presión sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo
contiene, sin tener en cuenta las presiones que se ejercen sobre su superficie, como la atmosférica o la que se ejercería con un pistón colocado sobre la superficie del líquido. Esta presión recibe el nombre de presión hidrostática, la cual aumenta conforme mayor es la profundidad.
Ph = (Pe) (h) = ρ · g · h
En donde:
Ph = la presión hidrostática, en N/m2 ;
Pe = el peso específico del líquido, en N/m3;
h = la distancia desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado (altura de la columna de líquido), dada en metros.
ρ = densidad del líquido.
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).
Ejemplo
Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 5 m de profundidad, si la densidad del agua es de 1000 kg/m3.
Datos:
Ph = ? h = 5 m ρagua = 1000 kg/m3
Fórmula:
Ph = ρ· g · h
Ph = (1000 kg/m3) (9.81 m/s2) (5 m)
Ph = 49050 N/m2
Presión Atmosférica
La presión atmosférica es la presión que ejerce el peso del aire de la atmósfera
terrestre sobre una determinada superficie.
La presión atmosférica se mide con un barómetro
Cuando se mide la presión atmosférica, se está midiendo la presión que ejerce una columna de aire sobre 1m2 de área en la superficie de la tierra es:
P = 101.325 Pa
Se aproxima a:
P = 1,013 x 105 Pa
Nota: a mayor altura menor presión y a
menor altura mayor presión.
Presión manométrica
Presión manométrica (relativa): Es la relación
aritmética entre la presión absoluta y la
presión atmosférica. ¡¡Los valores de presión
absoluta y de presión atmosférica jamás son
negativos!! Presión de vacío: Es una presión
manométrica negat iva.
[Pman < 0 unidades de presión]
Toma como base la presión atmosférica
local.
Mide las presiones sobre la atmosfera
(superiores a la atmosfera)
Pmano = Pabs - Patm
Presión Absoluta.
Es la presión del sistema. Esta presión se
mide a partir de la presión cero de un vacío
“absoluto” relativo.
Pabs = Pmano + Patm
Ejercicio
El tubo de un barómetro de mercurio tiene
una sección cuya superficie es de 10 cm2.
¿Qué altura alcanzará el nivel del mercurio
en dicho tubo cuando el barómetro este
situado en un lugar en el que la presión
atmosférica es de 0.95 atm?
ρHg = 13600 kg / m3
1 atm = 1.01 x 105 Pa
Patm = 0.95 atm
P atmosférica
P manométrica P absoluta
P vacío
P barométrica 760 mm Hg
P = 0.95 at h
A = 10 cm2
Si la presión atmosférica es de 0.95 atm
entonces convirtiendo a pascales
Patm = 0.95 atm(1.01 x 105 Pa /1 atm )
Patm = 95950 Pa
De la formula
PHidro = ρ g h
Despejamos h
h = 0.706 m
h = 70.6 cm
7.3.- Principio de Pascal y Principio de
Arquímedes.
Principio de Pascal
La presión ejercida sobre un líquido que se
encuentra encerrado en un recipiente, se
transmite por igual a todos los puntos del
líquido y a las paredes del recipiente.
P1 = P2
Aplicaciones
Elevados de carga
Prensa hidráulica
Gato hidráulica
Frenos hidráulicas
Dirección hidráulica
Ejemplo
Una prensa hidráulica existe una presión de
25 Pa en un área de 3 m2 en el émbolo de
mayor tamaño, ¿Cuál será la fuerza que
existe en el otro embolo, si su tamaño es tres
veces menor?
Datos P = 2.5 Pa A2 = 3 m2 F1 = ? A1 = 1 m2
Formula
Despejando F para obtener el valor de F2
F2 = PA sustituir valores F2 = (2.5 Pa)( 3 m2) F2 = 7.5 N
Posteriormente de la formula
Despejar F1
Sustituir valores
F1 = 2.5 N
𝑃 𝑃
2.- Los émbolos de una prensa hidráulica
tiene sección circular y sus diámetros son 8 y
40 cm respectivamente.
a) ¿Cuál es la fuerza que se produce en el
émbolo mayor cuando en el pequeño se
aplica una fuerza de 50N?
b) ¿qué fuerza habría que aplicar en el
émbolo menor para poder prensar una
partida de aceitunas con una fuerza neta de
1000N?
Datos r1 = 4 cm r2 = 20 cm F1 = ? F2 = ?
Calculando las áreas A1 y A2 De la fórmula del área de la circunferencia tenemos: A =π r2 A1 = π(4 cm)2
A1 = 16 π cm2
A2 = π(20 cm)2 A2 = 400 π cm2
a ) Si F1 = 50 N de la fórmula
Despejar F2
Sustituir valores
F2 = 12.50 N
b) Si F2 = 1000 N de la fórmula
Despejar F1
Sustituir valores
F1 = 40 N
Principio de Arquímedes.
Todo cuerpo sumergido total o parcialmente
en un líquido, experimenta una fuerza de
empuje hacia arriba, que es igual al peso del
líquido desplazado.
E = Fuerza de empuje
E = W liquido desalojado
Si W = mg remplazamos
E = mg
Si
despejando m tenemos
m = remplazando
E = ρ liquido V sumergido o desalojado g (N)
𝒓𝟏 𝟒 𝒄𝒎 𝒓𝟐 𝟐𝟎 𝒄𝒎
d = 8 cm
d = 40 cm cm
Ejemplo
1) Una bola de acero de 5cm de radio se
sumerge en agua. Calcula el empuje que
sufre y la fuerza resultante (densidad del
plomo = 7,9 g/cm3).
Datos r = 5 cm = 0.05m
ρPb = 7.9 g / cm3
ρAgua = 1 g / cm3 g = 10 m/s2
De la fórmula del volumen de una esfera tenemos
sustituimos
sustituimos
V = 5.236 x 10--4 m3 Convirtiendo m3 a lit 1 m3 __________ 1000 l
5.236 x 10-4 m3_____ x V = 0.5236 litros
De la formula
E = ρ liquido V sumergido o desalojado g (N)
Calculamos el peso del agua desalojada (es
decir, el empuje)
Eempuje = (1 g / cm3) (0.5236 lit)(10 m/s2)
Ee = 5.236 N
Vamos con la fuerza resultante. Aquí actúan
dos fuerzas: el empuje del agua hacia arriba
y el peso de la bola hacia abajo. Nos queda
calcular este último:
Densidad del plomo = 7.9 g/cm3 = 7900
Kg/m3
Ebola = ρ plomo V de la bola g (N)
Eb = (7.9 Kg/m3)( 0.5236 lit)( 10 m/s2)
Eb = 41.3644 N
La resultante es
F = Eb – Ed
F = = 41.3644 N – 5.236 N
F = 36.12 N
Como Eb > Ed, la bola se hunde (lógico,
teniendo en cuenta que es de plomo).
7.4.- Tensión superficial, capilaridad,
difusión y osmosis-
Tensión superficial
Es la resistencia de los líquidos a los sólidos
que están en contacto con ellos,
comportándose como una membrana
elástica
r = 5cm
E = ?
w
En el interior del líquido cada molécula se encuentra rodeada por otras moléculas en todas las direcciones de forma que las fuerzas atractivas entre ellas se compensan
No dependen del espesor o extensión
Varía con ta temperatura
En cambio en la superficie, al no haber más
moléculas fuera, éstas se atraen con más
fuerza, formando una fina barrera.
Capilaridad
Es la propiedad de que los líquidos asciendan a través de un tubo capilar capilares de los sólidos venciendo la gravedad. Depende de la cohesión de las moléculas
2 𝜹cosα = ρ r h g
Difusión
Es el esparcimiento de un líquido en otro
Las partículas en un vaso de agua se mueven
al azar alrededor, las partículas
eventualmente se convertirán distribuidas al
azar y de manera uniforme. Es un proceso,
que implica el movimiento de una sustancia
a partir de una zona de su mayor
concentración
Flujo difuso ( )
Osmosis
Fenómeno físico relacionado con el
movimiento de un disolvente líquido
atravesó de una membrana semipermeable
La osmosis se detiene antes de que se iguales
las concentraciones-
h
T1 T2
π = i (C1 – C2)RT π = ρ gh
π = presión osmótica (atm)
i= coeficiente de disociación (vale 102)
T 0 temperatura °K
R = constante de gases = 0.082 (lt atm)
h = altura m
ρ = densidad del liquido
g = gravedad
7.5.- Flujo permanente y turbulento,
gasto volumétrico y gasto másico
Flujo permanente y turbulento,
Antes de definir Flujo permanente y
turbulento es necesario definir fluido y flujo
Fluido: es un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restituidas tendentes a recuperar la forma "original“.
Flujo: es el estudio del movimiento de un fluido, involucrando las leyes del movimiento de la física, las propiedades del fluido y características del medio ambiente y conducto por el cual fluyen.
Clasificación de flujos
El flujo de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, atendiendo diversas características y criterios de velocidad, espacio y tiempo.
De acuerdo a la velocidad del flujo: • Flujo turbulento: en este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en
trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido.
Por variación de velocidad con respecto al tiempo:
Flujo permanente: Se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios.
Gasto volumétrico y gasto másico
Bien, el gasto es un concepto en física que advierte que cuando un líquido fluye a través de cierta tubería hay una relación entre el volumen del líquido y el tiempo que éste tarda en fluir.
G = gasto volumétrico m3 /s V = volumen t = tiempo
Bien, pero no es la única fórmula para poder obtener el gasto, existe otra fórmula que relaciona la magnitud de la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería.
Para conocer por ejemplo el volumen de líquido que pasa de la primera sección de área a la segunda sección, basta con multiplicar el área, la magnitud de la velocidad del líquido y el tiempo que tarda en pasar por los puntos. Muy fácil ¿no?
V = A v t
De ésta misma fórmula podemos obtener la segunda fórmula de la que hemos hablado.
Dónde
G = gasto en
A = área de la sección transversal de la tubería, medida en metros cuadrados.
v = magnitud de la velocidad del líquido en
m/s
Ejemplo
1.- Carlos llena u tanque de agua con una
manguera en 4 minutos con 26 segundos.
Dicho tanque posee un almacenamiento de
14 galones. Calcular el gasto volumétrico del
agua que pasa por dicha manguera.
Datos
G = ? V = 14 gl t = 4 mint con 26 s Conversión de unidades
4 mit (
) = 240 s cancelando los mit
Sumando 240 s con 26 s tenemos
t = 266 s
Ahora si
I gl = 0.00378541 m3
14 gl (
) = 0.05299574 m3
Cancelando gl tenemos:
V = 0.05299574 m3
Entonces de la fórmula
Sustituimos
G = 1.992 x 10 -4 m3 /s
2.- calcular el tiempo que tardará en llenarse
un tanque cuya capacidad es de 8 m3 al
suministrarle un gasto de 60 l/s
Datos
G = 60 l/s V = 8 m3 t = ? No podemos manejar el gasto con unidades de (litro/segundo), por lo que debemos de convertir esos litros a metros cúbicos, el factor de conversión es 1 metro cúbico = 1,000 litros.
(
)
Una vez teniendo el Gasto en las unidades del SI (Sistema Internacional), ahora es momento de ver la fórmula a utilizar:
Despejando al tiempo
Sustituyendo
= 133.33 s
Flujo másico:
La medición del flujo consiste en poder
determinar la cantidad de material que pasa
por un tubo en una unidad de tiempo.
Cantidad de masa que circula en una sección
transversal de un tubo por unidad de tiempo.
F = flujo másico kg / s
m = masa Kg
t = tiempo s
Bien, pero así como el gasto, existe otra fórmula derivada de la densidad que nos permite obtener el flujo. Como sabemos, la densidad de un cuerpo es la relación entra la masa y volumen, entonces obtenemos:
Despejando a la “masa”
Entonces de la ecuación que tenemos de flujo, reemplazamos a la “masa” por la nueva forma de la densidad.
Pero la podemos dejar en términos del Gasto, ya que el gasto es:
Entonces:
F = G ρ
Dónde el Gasto por la densidad nos da el flujo másico.
Tubo
Fujo
Área transversal A 𝝅𝒓𝟐
Ejemplo
Por una tubería fluyen 2300 litros de agua en
un minuto, calcular:
a) El gasto b) El flujo másico Dato:
Ρ del agua = 1000 kg/m3 V = 2300 litros t = 1 minuto = 60 segundos G = ? F = ? Necesitamos convertir los 2300 litros a metros cúbicos, para ello recurrimos a nuestro factor de conversión.
1 metro cúbico = 1,000 litros.
(
)
Ahora si podemos calcular el gasto:
G = 0.0383
Teniendo el gasto, pasemos a calcular el flujo másico, que es el producto del gasto por la densidad del líquido.
F = G ρ
F = (0.0383
)( 1,000
)
F = 38.3
Lo que equivale a tener 38.3 kilogramos de
agua por cada segundo.
7.6.- Ecuación de continuidad, principio
de Bernoulli, Principio de Torricelli.
Ecuación de continuidad
Los líquidos son prácticamente
incompresibles, cualesquiera sean las
presiones a que sean sometidos su volumen
no varía o varía muy poco; aun así nosotros
vamos a operar con un modelo de líquido
que consideraremos totalmente
incompresible esto da lugar a una relación
cuantitativa que es la ecuación de
continuidad
La ecuación de continuidad: nos dice que la
cantidad de flujo que pasa por una zona del
tubo puede definirse por el producto del
área de la sección del tubo por la velocidad
del fluido en esa zona y la densidad.
V = L1 A1 = L2 A2 = v1 ∆t A1= v2 ∆t A2 De donde, simplificando queda
v1 A1= v2 A
Principio de Bernoulli
𝑨𝟏
𝑳𝟏 = 𝒗𝟏 𝒕 𝑳𝟐 = 𝒗𝟐 𝒕
𝑨𝟐
En un fluido que se desplaza en régimen
estacionario, la diferencia de presión
hidrodinámica entre dos puntos de una línea
de corriente es igual al peso de una columna
de dicho fluido, cuya base sea la unidad de
superficie y cuya altura la distancia vertical
que separa ambos puntos
El teorema de Torricelli Mediante la aplicación del teorema de Bernoulli calcularemos la velocidad de salida del líquido de un recipiente. Consideremos un depósito de dimensiones mucho mayores que la del diámetro del orificio de salida del líquido como el que se indica en la figura. Vamos a plantear la ecuación de Bernoulli en dos puntos extremos del sistema, el punto A en el borde superior del líquido y el punto B en el orificio de salida del recipiente. La ecuación de Bernoulli para este caso es:
Los valores correspondientes al punto B son pB, que, igual que en el caso anterior es la presión atmosférica, la altura yB que es dato del problema y la velocidad vB que es nuestra incógnita. Finalmente reemplazando y resolviendo queda:
Entonces
√ Este resultado que se puede deducir de la ecuación de Bernoulli, se conoce como el teorema de Torricelli. Obsérvese que la expresión matemática es análoga a la de un sólido en caída libre. Esto es así porque en el desarrollo del teorema de Bernoulli se recurrió al teorema de conservación de la energía mecánica
7.7.- Medidores de fluidos, Tubo de
Pitot, Tubo de Venturi.
Medidores de fluidos
También llamados Caudalímetros, son
dispositivos utilizados para la medición de los
A
B
𝑌𝐴
𝑌𝐵
caudales (Q) o gastos volumétricos de
un fluido, o para la medición del gasto
másico.
Tubo de Pitot
Es un instrumento destinado a medir la velocidad de los gases que circulan por una tubería. Consiste en un tubo manométrico que se conecta, como indica la figura, a la tubería por la que circula el gas. La presión en la rama izquierda del manómetro, cuya abertura es paralela a la dirección del movimiento del gas, es igual a la presión de la corriente gaseosa. La presión en la rama derecha, cuya abertura es perpendicular a la corriente, puede calcularse aplicando el teorema de Bernoulli a los puntos a y b.
Hay que tener en cuenta que para este problema de circulación de gas la densidad (d) es la del gas por otra parte, los puntos a y b se encuentran a la misma altura ya = yb los términos que los contienen son iguales y se pueden simplificar. La velocidad va es la velocidad v de circulación del gas que debemos medir, y como el ingreso al tubo manométrico en el punto b está limitado por el líquido
manométrico, la velocidad vb es cero, reemplazando queda;
Si d0 es la densidad del líquido del manómetro, y h es la diferencia de alturas del líquido entre sus ramas, se tiene:
Reemplazando en la ecuación anterior, resulta:
Tubo de Venturi.
Consiste en un dispositivo que permite medir el caudal y, como derivación, la velocidad, de un líquido que fluye en una tubería. El mecanismo consiste en un estrechamiento de la tubería por donde circula el líquido diseñado de forma que la disminución de la sección sea gradual para asegurar el mantenimiento del régimen laminar y se evite que el sistema entre en régimen turbulento y en consecuencia se pierda energía. Se incorporan dos tubos laterales para medir la presión del fluido en cada una de las secciones. La aplicación del teorema de Bernoulli, a un tubo de flujo que pase por el eje de la sección A1 y de la sección A2, da:
Remplazar los términos de la ecuación por los valores que disponemos. Como en nuestro caso la tubería tiene un eje horizontal los valores de y1 y y2 son iguales y se pueden simplificar. Las presiones p1 y p2 resultan; p1 = p0 + d g h1 p2 = p0 + d g h2 Recordando, además, que el caudal es: Q = A1 v1 = A2 v2, Trabajando algebraicamente sobre la ecuación de Bernoulli; si puede medirse la diferencia de alturas h1 – h2, y se conocen las áreas A1 A2, es posible calcular el caudal; y como consecuencia, también v1 y v2
Termodinámica II
7.8.- Calor y Temperatura, Escalas
termométricas, conversión entre escalas
termométricas
Calor y Temperatura
Diferencia entre calor y temperatura: El calor
es la energía que pasa de un cuerpo a otro,
mientras que la temperatura es la medida de
la energía cinética de cada molécula.
Escalas termométricas
Temperatura absoluta: Es la medida de la
energía cinética de cada molécula medida en
grados Kelvin
Celsius: Es la medida en grados de
temperatura que toma como base el punto
de fusión (0°C) y el punto de ebullición
(100C°) del agua a una atmosfera.
Fahrenheit: Es la medida en grados de
temperatura que propone (32°F) para el
punto de fusión (212°F) al ebullición del agua
a una atmosfera
Kelvin: Toma como base la temperatura más
baja que puede obtenerse (cero absoluto) y
corresponde a (- 273C ° = 0 °K) y su escala es
la Celsius
Rankine: Toma como base la temperatura
más baja que puede obtenerse en un cuerpo
(cero absoluto) pero en este caso la escala
será la misma que la de los grados
Fahrenheit y corresponde a – 460 = 0°R
Conversión entre escalas termométricas
Conversión °F a °C
Conversión °C a °F
Conversión °K a °C
Conversión °C a °K
Conversión °K a °F Conversión °F a °K
Ejemplo
1.- Convertir 100°F a grados centígrados:
De la formula
Sustituimos valores
2.- Convertir 100°C a grados Fahrenheit
Sustituimos valores
3.- Convertir -90°C a Kelvin
Sustituimos valores
183,2 K
4.- Convertir 50° Kelvin a grados Centígrados
-223,9 °C
5.- Convertir 3000°F a Kelvin
6.- Convertir 200° Kelvin a grados Fahrenheit
-99.8°F
7.9.- Concepto de calor y sus unidades,
calor especifico, calor latente, caloría,
formas de transmisión del calor
Concepto de calor y sus unidades
Calor: Es la energía que pasa de un cuerpo a
otro cuando se tiene diferente
temperatura. El calor es causa y la
temperatura es efecto. Sus unidades son:
Caloría: Cantidad de calor necesario para
elevar la temperatura 1°C de un gramo de
agua.
Kilocaloría: Calor necesario para elevar la
temperatura 1°C de unkilo gramo de agua.
B.T.U.: Cantidad de calor para elevar la
temperatura 1°F de una libra de agua.
Joule: Conocido como el equivalente neánico
del calor y es igual a 1cal _____4.18J
Calor específico: Es el calor necesario que se
aplica a la unidad de masa para que aumente
su temperatura 1°C.
Calor latente: Es el calor necesario que debe
suministrarse a un 1Kg de una sustancia a la
temperatura de transformación, para
cambiar su estado.
Q = cal m = Kg C1 = Kcal/Kg
Ejemplo
Calcular el calor latente de un cuerpo de
masa 2.3 Kg que produce una fuerza de 245
N en una distancia de 12m.
Primero determinaremos el trabajo que se
está realizando.
T = Fd = (245 n)(12m) = 2490 J
Una vez obtenido el trabajo en Joules,
transformar a calorías
) = 517 cal.
Por último, el resultado del calor se sustituye
en la ecuación del calor latente:
Cl = 225.03 cal/kg
Formas de transmisión del calor
1. Conducción El calor por conducción se produce cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluirá a través del objeto de mayor temperatura hacia el de menor buscando alcanzar el equilibrio térmico (ambos objetos a la misma temperatura). Un ejemplo lo tenemos a la hora de cocinar.
Cuando estamos cocinando en una sartén, si
se nos ocurre dejar un cubierto metálico
apoyado en el borde, al cogerlo notaremos
que se ha calentado (incluso puede que nos
quememos). El calor se ha transferido de la
sartén al cubierto por conducción.
2. Convección La transmisión de calor por convección tiene lugar en líquidos y gases. Ésta se produce cuando las partes más calientes de un fluido ascienden hacia las zonas más frías, generando de esta manera una circulación continúa del fluido (corriente conectiva) y transmitiendo así el calor hacía las zonas frías. Los líquidos y gases, al aumentar de temperatura disminuyen de densidad, provocando la ascensión. El hueco dejado por el fluido caliente lo ocupa el fluido más frío (de mayor densidad).
3. Radiación La transferencia de calor por radiación no necesita el contacto de la fuente de calor con el objeto que se desea calentar. A diferencia de la conducción y convección, no precisa de materia para calentar.
El calor es emitido por un cuerpo debido a su temperatura. Para este caso podemos tomar como ejemplo el sol. El calor que nos llega del sol viaja por el espacio vacío y calienta la superficie de la Tierra.
Expresión para la cantidad de calor:
Q = calor suministrado en calorías (cal) 0 (J)
M = masa del cuerpo en (gr) 0 (Kg)
T1 = Temperatura inicial en grados °C
T2 = Temperatura final en grados °C
Ce = una constante diferente para cada
sustancia, llamada calor especifico (cal/Kg°C)
Ejemplo
3 Kg de hielo a -10°C, se van a calentar para
convertirlos en vapor a la presión de 1 atm.
¿Qué cantidad de calor se necesita?
El calor necesario se reparte del modo
siguiente:
a) calor para calentar el hielo de -10 °C a
0°C.
Ce = 0.5 Kcal/Kg°C
b) Calor latente para fundido
Si tenemos:
Calor latente de fusión del hielo = 80
Kcal/Kg°C
ʎ1 = Kcal/Kg
80Kcal/Kg°C
c) Calor para calentar el agua obtenida
desde 0°C hasta 100°C (Ce = 1 Kcal/Kg°C)
d) Calor latente para evaporar el agua.
ʎv =540 Kcal/Kg
540Kcal/Kg°C
El calor necesario será la suma de todos:
7.10.- Primera Ley de la termodinámica,
equivalente mecánico del calor.
Primera Ley de la termodinámica
En la transformación de cualquier tipo de
energía, en energía calorífica, o viceversa, la
energía producida equivale, exactamente, a
la energía transformada, es decir que la
energía no se crea ni se destruye, sólo se
transforma.
Q = cal U = cal W = cal
Equivalente mecánico del calor.
Una caloría es la cantidad de calor necesaria
para elevar la temperatura de un gramo de
agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC..
Con su experimento, Joule se propuso
demostrar que se podía elevar la
temperatura del agua transfiriéndole
energía mecánica.
Como es una forma de energía se mide en
Julios. Pero también se usa la caloría:
1 caloría=4.18 J
A esta fórmula se le conoce con el nombre
de equivalente mecánico del calor
Da una idea de cómo se puede convertir la
energía mecánica (cinética y potencial) y el
trabajo en calor, y viceversa.
7.11.- Transferencia de calor, procesos
termodinámicos.
Transferencia de calor
Transferencia de calor. Proceso por el que se
intercambia energía en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes
de un mismo cuerpo que están a
distinta temperatura.
Por conducción en sólidos, mediante los
choques de sus moléculas producidos por las
que reciben directamente el calor.
Por convección: formas en que los fluidos
(líquidos y gaseosos) transmiten el calor; se
caracteriza por el acenso y descenso de las
moléculas.
Por radiación: es la emisión continua de
energía radiante del sol, principalmente, y de
los cuerpos calientes, en forma de ondas
electromagnéticas. Además de ser la
capacidad de una sustancia para emitir
radiación cuando está caliente, es
proporcional a la capacidad que posee para
absorberla.
Procesos termodinámicos.
Proceso adiabático: Es aquel sistema cerrado
en donde no existe pérdida de calor o sea
que no transmite calor el sistema. En este
sistema no cambia la presión, ni la
temperatura.
Lo que indica que el calor del sistema es igual
a cero.
Q = cal U = cal W = cal
Proceso isotérmico: Cuando una masa de gas
se dilata isotérmicamente en contra de una
presión exterior, la energía interna es nula U
= 0 con lo que el calor que se suministra al
sistema cerrado es igual al trabajo que
realiza el gas, es decir:
En estas condiciones se verifica la ley de
Boyle.
Proceso isobárico: cuando una masa de un
gas se calienta, manteniendo constante la
presión es decir:
Proceso isocórico: cuando una nada de un
gas se calienta, manteniendo constante el
volumen.
W = 0
7.12.- Segunda ley de la termodinámica,
Entropía
Segunda ley de la termodinámica
Afirma la imposibilidad de movimiento
continuo, esto es que, todo procesos de la
naturaleza tienden a producirse sólo con un
aumento de entropía y la dirección del
cambio siempre es en la del incremento de la
entropía, o que no existe máquina que, sin
recibir energía exterior, pueda transferir
calor a otro, (de mayor temperatura) para
elevar su temperatura.
E = cal/°C Q = cal T = °C
Entropía
Tercera ley: La Entropía de todo solido
cristalino puro se puede considerar nula a la
temperatura del cero absoluto.
E = 0
7.13.- Maquinas térmicas.
Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior.
Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos: