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U5 Temperatura y calor 2015

U5 Temperatura y calor Física Aplicada Arquitectura UNCUYO
by

Mauro Blanco

on 11 October 2016

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Transcript of U5 Temperatura y calor 2015

TEMPERATURA Y CALOR

Física Aplicada - Arquitectura 2016

CONTENIDO
5. A: Temperatura y dilatación
Temperatura, energía y calor. Medición de la temperatura. Escalas de temperatura. Dilatación lineal, superficial y volumétrica. Dilatación anómala del agua.
5. B: Calor
Cantidad de calor. Calor específico. Capacidad calorífica. Medición del calor. Cambio de fase.
5. C: Métodos de transferencia del Calor
Conducción. Convección. Radiación. Aislamiento térmico.

Temperatura
Punto de vista microscópico: Se define temperatura como la medida de la energía cinética y potencial asociadas al movimiento de las moléculas de un material (Movimiento Browniano)

Punto de vista macroscópico: Basado en ideas cualitativas como: caliente o frío .La temperatura es una medida del nivel calórico. .

La temperatura es una propiedad que determina la sensación de: caliente, frío, tibio, fresco de una sustancia.

Energía térmica
La energía térmica representa la energía interna total de un objeto: la suma de las energías moleculares potenciales y cinética.
Inspiración
CALOR
Es energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura entre dos sistemas

El calor es energía que traspasa los límites de un sistema termodinámico en un estado de alta densidad de energía cinética y que se transfiere a otro sistema en un estado de baja densidad de energía cinética. Esto equivale a decir que el calor es la energía transferida de un sistema con alta temperatura a otro sistema con baja temperatura.
¿Qué es la temperatura?
La temperatura es una medida del nivel de agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros.
Medición de la temperatura
Patrón de medida
Esencialmente definida como la medida de la Energía Cinética de las moléculas y ésta no puede medirse directamente, sino que debe determinarse indirectamente.
Para estos se mide alguna propiedad física de una sustancia cuyo valor depende de la temperatura de alguna manera conocida.

Se toman sustancias puras en determinadas condiciones. Son ejemplos: hierro sólido, agua líquida.

Medición por referencia: Para medir la temperatura nos basamos en dos clases de termómetros:
a- Basados en validaciones físicas de la sustancia: dilatación, resistencia, etc.
b- Basados en validaciones químicas: punto de ebullición, de fusión, densidad, etc.

Los termómetros de vidrio o también denominados termómetros de líquido son los más conocidos.. Estos termómetros suelen ser de vidrio sellado. La temperatura se obtiene de ver en una escala marcada en el mismo termómetros hasta que nivel llega el líquido (mercurio o alcohol) que hay en su interior a causa de la dilatación/contracción del mismo debido al cambio de temperatura
TERMÓMETROS DE VIDRIO O TERMÓMETROS DE LÍQUIDO
TERMÓMETROS BIMETÁLICOS
Estos termómetros están formados por dos láminas de metales de distintos coeficientes de dilatación. Cuando hay cambio de temperatura, uno de los dos metales se curva antes que el otro y el movimiento se traduce en una aguja que a su vez marca en una escala la temperatura.

Un circuito electrónico toma la temperatura y la información se envía a un microchip que la procesa y la muestra en una pantalla digital numéricamente. Suelen ser muy comunes para aplicaciones muy diversas en el hogar, medicina, industria.. al ser económicos, rápidos, precisos y fáciles de usar.
TERMÓMETROS DIGITALES
TERMÓMETROS DE GAS
Pueden funcionar a presión constante o a volumen constante y debido a su tamaño, precio y complejidad sólo se utilizan como termómetros patrón en laboratorios con el objetivo de poder calibrar otros termómetros, ya que es un sistema muy preciso de medición de temperatura.

Escala Celsius: Rango de temperatura: 0ºC - 100ºC.
- Graduación: un grado es para esta escala la centésima parte de la división termométrica (1/100).

ESCALAS DE TEMPERATURA
CAMBIO DE ESCALA
DILATACIÓN LINEAL
(Alfa) Es el coeficiente definido para cada material. Es una constante de proporcionalidad que caracteriza las propiedades de dilatación térmica de un material determinado.

Unidades
Sea una lámina rectangular homogénea e isótropa, cuyo espesor es pequeño comparado con su superficie inicial S0=La*Lb
DILATACIÓN SUPERFICIAL
DILATACIÓN CÚBICA
DILATACIÓN ANÓMALA DEL AGUA
Una caloría (cal es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado celsius.
CANTIDAD DE CALOR
Se dice que dos objetos se encuentran en equilibrio térmico si y sólo si tienen la misma temperatura
¿Cómo lo mido?
Un termómetro es un dispositivo que, mediante una escala graduada, indica su propia temperatura

1) En una variación lineal t=kX+b
donde k: constante de proporcionalidad
X propiedad termométrica que varíe con la temperatura
b término independiente
2) Escala de temperatura (selección de puntos fijos)
Punto fijo inferior (punto de congelación)
Punto fijo superior (punto de ebullición)
La escala de temperatura absoluta
Cambio de tamaño por el movimiento de los átomos por vibración a raíz del aumento de temperatura
Calor
Cantidad de calor
Calor especifico
Capacidad calorífica
Medición del calor
Cambio de fase
1 cal = 4,186 J
(trabajo para elevar el agua de 14,5 a 15,5 ºC
El calor específico de un material es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa

Calor específico - Capacidad calorífica
La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo
UNIDADES?
Densidad (g/cm^3):
Pb:11,3
Vidrio:3
Al:2.7
Cu:8.9
Fe:7.9
Calor perdido = calor ganado
MEDICIÓN DEL CALOR
Q=m*c*delta t
Donde delta t(temperatura alta menos temperatura baja) o cambio absoluto.
CAMBIO DE FASE
Calor latente de fusión
Calor latente de vaporización
Unidades?
Métodos de transferencia del calor
Conducción
Convección
Radiación
Aislamiento térmica
Conducción
La conducción es el proceso por el que se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a lo largo de un medio material. EL MEDIO EN SÍ NO SE MUEVE.
CONVECCIÓN
La convección es el proceso por el que se transfiere calor por medio del movimiento real de la masa de un fluido
Convección natural
Convección forzada
R=L/k
R:Resistividad térmica
L: espesor
k: Conductividad térmica
AISLAMIENTO
RADIACIÓN
La radiación es el proceso por el que se transfiere mediante ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas por un sólido, un líquido o un gas debido a su temperatura.
Al mayor temperatura, menor longitud de onda
Celsius
Kelvin
Fahrenheit
Rankine
¿Para qué me sirve esto?
Un termómetro de gas a volumen constante, indica una presión de 8 mm de mercurio en contacto con el hielo y de 12 mm de Hg en contacto con el vapor de agua. Calcular: a) la ecuación termométrica en la escala °F y b) la presión cuando la temperatura alcanza 100 °F.
Ejercicio
R:t=45x-328
R:h=9.51 mm
Un termómetro de mercurio está graduado en las escalas Celsius y Fahrenheit. La distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Fahrenheit es 10 mm. ¿Cuál es la distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Celsius?
Calcular la longitud de un hilo de cobre (α alfa 0,0000117/°C) calentado por el sol hasta 52 °C, si a 4°C su longitud era de 1400 m

¿Cuál será la longitud que alcanza un alambre de hierro (α alfa 0,000012/°C) de 250 m, si sufre un aumento de temperatura de 60 °C?

Una cinta métrica de acero (α alfa 0,000012/°C) es exacta a 0 °C. Se efectúa una medición de 50 m un día en que la temperatura es de 32 °C. ¿Cuál es su verdadero valor?

Una esfera de bronce de 33 cm ³ de volumen sufre un aumento de temperatura de 45 °C, ¿cuál será el aumento de volumen experimentado, si el coeficiente de dilatación lineal del bronce es de 0,0000156/°C?



¿Cuál es la variación de temperatura que sufre una masa de 3,2 kg de cobre que absorbe 24 kcal?

Determinar la cantidad de calor que absorbe una masa de hielo de 250 kg que está a -15 °C para pasar a 130 °C

Calcular el calor específico del mercurio si se introducen 0,2 kg del mismo a 59 °C en un calorímetro con 0,37 kg de agua a 24 °C y la temperatura de equilibrio térmico es de 24,7 °C

¿Qué cantidad de calor absorbió una masa de 10 g de cinc (Ce = 0,093 cal/g.°C) al pasar de 40 °C a 180 °C?
RADIACIÓN
La radiación térmica se debe a ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas por un sólido, un líquido o un gas debido a su temperatura
Calcular calor específico de los 5 materiales.
Lf
Lv
A mayor temperatura, menor longitud de onda
Emisividad
La emisividad "e" es una medida de la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica

Radiación
Radiación
Un cuerpo que se halla a la misma temperatura que sus alrededores irradia y absorbe calor con la misma razón
Ley de Prevost del intercambio de calor

Ejercicios
1- El ambiente de una caldera está separado de otro por una pared de corcho (λ k : 0,0001 cal / cm.°C.s) de 6 cm de espesor y 2,5 m ² de superficie. ¿Qué cantidad de calor ha pasado en 2,5 horas de uno a otro medio?

2- Si una estufa colocada en el interior de un ambiente produce 800 kcal/min, calcular el espesor que debe darse a una pared de 250 m ², cuyo coeficiente de conductividad es 0,02 cal/cm.°C.s, para que se mantenga una diferencia de temperatura de 15 °C con el exterior

3- ¿Qué tiempo tardarán en pasar 25 kcal por un disco de acero de 10 cm de radio y 1 cm de espesor, si de un lado la temperatura es de 70 °C y del otro de 40 °C?

4- Calcular la resistencia térmica total de un muro de una habitación de 39 m2, formado por mampostería exterior de 12 cm de espesor, una cámara de aire de 2 cm y un panderete de mampostería de 5 cm interior. Si la temperatura en el interior es de 85 °F y en el exterior es de 75 °F, ¿cuánto calor se pierde por día?
Ejercicio
1- La potencia radiante emitida por cada m2 de la superficie de un cuerpo que está a una temperatura de 1000 K es 34 kW/m2 ¿Cuál es su coeficiente de emisión o emisividad?

2- Se quiere utilizar energía solar para calentar un tanque con 1000 litros de agua desde 20 ºC a 60 ºC. Para ello se utilizan 9 m² de paneles que absorben la radiación solar incidente y la trasmiten al tanque por conducción, prácticamente sin pérdidas. ¿Cuántas horas de sol se requieren, si la irradiación es en promedio de 400 W/m² y los paneles solares tienen un coeficiente de absorción de 0,75?

3-Calcule la energía emitida por segundo en forma de radiación térmica por un cuerpo negro de 1 m^2 a 300 K. Repita el cálculo si la temperatura es 3000 K y compare ambos valores.
Material K: Kcal/(m.h.°C)
Aire 0.02052
Panderete de mampostería (interior) 0.7
Mampostería exterior 0.75

otro ejercicio:
t
h
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