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Dr. Félix Aucallanchi V.
FÍSICA
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Concepto de temperaturaLa temperatura es la cantidad física que nos dice
que tan frío o qué tan caliente está un cuerpo
respecto de cierta referencia.
Definición de temperaturaLa temperatura es la propiedad de los sistemas
termodinámicos que determina cuándo se
encuentra o no un objeto en equilibrio térmico
con otros objetos.
Propiedad TermométricaEs todo atributo, o propiedad, de un
cuerpo que varía ante cualquier variaciónde su temperatura.
TA = TC TB = TCTA = TB = TC
Un cambio en alguna propiedad termométrica es un indicador de una variación de
la temperatura. Entre las más comunes tenemos a la longitud, el área, el volumen,
la densidad, etc.
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Un termómetro de gas de volumenconstante marcaría -273,15 °C a
presión absoluta cero.
En Termodinámica es muy importante
tener una escala termométricaindependiente del tipo de sustancia.
Tal escala se llama escala
termodinámica y es la conocida
escala Kelvin.
Lo más próximo al Cero Absoluto se logró el año 1989, obteniéndose 0,000 000 002 K.
Temperatura de referencia: El Cero Absoluto
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ESCALAS TERMOMÉTRICAS
Son registros de temperatura que se han anotado de manera secuencial en
líneas o segmentos de recta.
Escalas Relativas.- Son aquellas en las que se han elegido dos temperaturasde referencia fácilmente reproducibles: la fusión del hielo y la ebullición del
agua. Entre estas tenemos la escala Celsius y la Fahrenheit.
Escalas Absolutas.- Son las que poseen un solo punto o temperatura dereferencia: el Cero Absoluto. Entre estas tenemos la escala Kelvin y Rankine.
Las temperaturas exactas de fusión del hielo es 0 °C, 31,95 °F y la de ebullición
del agua es 99,97 °C y 211,95 °F.
Las temperaturas exactas de fusión del hielo es 273,15 K y 491,67 °R y la de
ebullición del agua es 373,15 K y 671,67 °R.
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Relaciones Termométricas
273K C
T T
460R F
T T
1,8 32F C
T T
273 32 492
5 5 9 9C K F R
T T T T
R F T T
1,8F C
T T
C K T T
De donde se deduce que:
Y para las variaciones de temperatura
se obtiene que:
5 329C F
T T
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R F T T
1,8F C T T
K C
T T a)
b)
c)
5K
T K
9F T F
9R
T R
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CALOR
DefiniciónSe llama calor a la forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos
debido a una diferencia de temperaturas.
Propagación del calor
a) ConducciónEs la forma de propagación del calor a través de un cuerpo y que requiere de
dos temperaturas diferentes y definidas, observándose que el calor se
transfiere de la región de alta temperatura hacia la de menor temperatura.
b) ConvecciónEs la forma de propagación del calor que requiere de un medio material
fluido en el que las masas calientes ascienden y las frías descienden por
diferencias de densidad.
c) RadiaciónEs la forma de propagación del calor que no requiere de ningún medio
material en el que el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas
denominadas rayos infrarrojos.
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Unidades de calor
b) Kilocaloría (kcal)Se le llama también gran caloría, y es la cantidad de calor
que se debe suministrar a 1 kg de agua para elevar su
temperatura en 1 °C. Se verifica que 1 kcal = 103
cal.
c) British Termal Unit (B.T.U)Es la cantidad de calor que debemos suministrar a 1 lb de
agua para elevar su temperatura en 1 °F (de 32 °F a 33 °F).
Se verifica que:
1 BTU = 252 cal
d) Joule (J)Es la unidad de medida del calor en el S.I. En el
subsiguiente capítulo se demostrará que:
1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,2 J
a) Caloría (cal) Representa la cantidad de calor que se debe
suministrar a 1 g de agua para elevar su temperaturaen 1 °C (de 14,5 °C a 15,5 °C). Ver figura adjunta.
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Definiciones Calorimétricas
a) Capacidad calorífica (K)Cuando proporcionamos calor a un cuerpo y éste
varía su temperatura, decimos que él posee
capacidad calorífica, la cual se define como
aquella magnitud escalar propia para cada cuerpo,
y que representa la cantidad de calor que debe
ganar o perder para elevar o disminuir su
temperatura en un grado.
b) Calor específico (Ce)Se le llama también capacidad calorífica específica, y viene
a ser la magnitud escalar propia para cada sustancia, y
cuyo valor nos indica la cantidad de calor que debe ganar o
perder la unidad de masa para elevar o disminuir su
temperatura en un grado.
Calor Variación de temperatura
K Q K T
Q Ce
m T
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c) Calor sensible (Qs)Si al proporcionar o quitar calor a un cuerpo éste logra variar su temperatura
exclusivamente por esta razón, se dice que ha sido afectado por un calor
sensible. De ésto diremos que el calor sensible es aquel que sólo produce
cambios en la temperatura de los cuerpos, y viene dado así:
d) Teorema fundamental de la calorimetría
sQ mCe T f i s
f i s
- Si: ( ) : Calor ganado
- Si: ( ) : Calor perdido
T T Q
T T Q
«Cuando mezclamos dos o más cuerpos a diferentes temperaturas, ocurre queel calor que pierden los cuerpos calientes lo ganan los cuerpos fríos».
Esto no es más que una aplicación de la Ley de Conservación de la Energía.
PierdenGanancuerpos calientescuerpos fríos
Q Q
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Prob. 1.- Un cuerpo sólido inicialmente a 10 °C recibe 60 cal calentándosehasta la temperatura « x ». A continuación recibe 24 cal de modo que su
temperatura final es de 45 °C. ¿Cuál es el valor de « x » en °C?
Prob. 2.- Un recipiente de vidrio pyrex tiene una masa de 4 kg y una temperatura de50 °C. En el mismo se introducen 3 litros de agua a 10 °C; calcular (en °C) la
temperatura final de equilibrio. Ce(Vidrio pyrex) = 0,25 cal/g·°C.
Rpta: x = 35 °C
Rpta: T E = 20 °C
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Prob. 3.- En un recipiente de 60 cal/°C de capacidad calorífica que seencuentra a 60 °C vertemos 20 g de agua a 80 °C y 40 g de agua a 20 °C. ¿A
qué temperatura (°C) se establece el equilibrio?
Prob. 4.- Se dan dos recipientes uno a 10 °C y el otro a 80 °C. ¿Cuánta agua sedebe tomar de cada uno para tener 100 g de agua a 38 °C?
Rpta: T e = 50 °C
Rpta: m1 = 60 g y m2 = 40 g
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CAMBIOS DE FASE
Definición de FaseSe define como fase de una
sustancia (materia concentrada) a la
condición en que ésta presenta una
composición uniforme y homogénea
en la que sus partes exhiben iguales
características físicas y químicas.
Fases de las sustanciasBajo determinadas
condiciones de presión y
temperatura, las fases de la
sustancia pueden ser: Sólido,
Líquido y Vapor.
Cambios de FaseSi una sustancia absorbe o libera calor, bajo determinadas condiciones de presión y
temperatura, entonces esta sufre cambios de fase manteniendo constante ambas
propiedades.
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FUSIÓN - SOLIDIFICACIÓN
FusiónFusión es el paso de un cuerpo de la fase sólida a la fase
líquida. Al hablar de la fusión se sobreentenderá siempre que
se trata de un sólido cristalino excepto cuando se especifique
lo contrario.
SolidificaciónSolidificación llamada también congelación, es el paso de la
fase líquida a la sólida y es el proceso inverso de la fusión.
Calor latente de Fusión - SolidificaciónDenominamos así a la cantidad de calor que requiere la
unidad de masa de una sustancia sólida que encontrándose
en su temperatura de fusión (o de solidificación), le permite
cambiar de fase sin alterar su temperatura. En general su valores propio para cada sustancia y viene dado por:
F
F
QL
m
Unidades: (L) = cal/g, kcal/kg, BTU/lb, J/kg
S
S
QL
mF S
L L
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VAPORIZACIÓN - CONDENSACIÓN
VaporizaciónLa vaporización es el paso de un cuerpo de la fase líquida a la fase gaseosa, en donde el
gas es muy denso llamado vapor . Esta transformación se llama evaporación si sólo se
produce en la superficie del líquido, y se llama ebullición si se da en el interior del líquido.
CondensaciónLa condensación es el paso de una sustancia en forma de vapor a
la fase líquida y ésta se realiza cuando las moléculas del vapor
disminuyen su movilidad debido a una liberación de energíaprovocando un acercamiento entre ellas. La condensación es un
proceso de calentamiento pues el calor que liberan las moléculas
que se condensan la ganan los cuerpos que se encuentran en
contacto con ellas.
Calor latente de Vaporización - Condensación
Es la cantidad de calor que requiere absorber o ceder la unidadde masa de un líquido o vapor respectivamente, para cambiar
de fase cuando se encuentra en su temperatura de ebullición o
condensación, sin alterar su temperatura.
V
V
QL
m
C
C
QL
m V C
L L
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Prob. 14.- Determinar la cantidad de calor expresada en kilocalorías que serequiere para cambiar de fase 1 kg de hielo desde su punto de fusión hasta su
total ebullición.
Prob. 15.- ¿Qué cantidad de hielo a 0 °C se requiere mezclar con un kilogramode agua para bajar su temperatura desde 80 °C a 40 °C?
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Prob. 17.- ¿Cuántos gramos de hielo a temperatura t = -8 °C se fundirán almezclarse con 1,05 kg de agua a la temperatura de 60 °C?
Prob. 18.- Un calorímetro cuyo equivalente en agua es de 50 g contiene 300 gde agua a la temperatura de 28 °C. Si se introducen 20 g de hielo a 0 °C, ¿cuál
será aproximadamente la temperatura final de equilibrio?
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