"Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con... Un intermedio entra la nada y el todo."

"Que es el hombre dentro de la naturaleza? Nada con respecto al infinito. Todo con respecto
a la nada. Un intermedio entra la nada y el todo."
Blas Pascal
LOGROS:
. Diferencia los conceptos físicos de de calor y temperatura de los cuerpos.
. Distingue las diferentes formas de transferencia de calor.
. Halla la cantidad de calor de una sustancia.
. Realiza conversiones de Temperatura de una escala a otra.
. Aplica las leyes de la termodinámica.
ORIGENES
Inicialmente los pueblos primitivos se reunían en pequeños
grupos de individuos, para recibir el calor de una hoguera;
y en el siglo XVlll, las gentes pensaban que esta era una
sustancia material que fluía hacia ellos con una enorme
rapidez y que poseía masa.
Los físicos pensaban que dos cuerpos teniendo la misma
masa, al calentar uno de ellos, éste debería pesar más que
el primero.
Mas adelante el físico Benjamín Thompson quien era muy
aficionado a estudiar los fenómenos del calor, observaba
continuamente como
los metales se calentaban
excesivamente al ser perforados por las taladradoras, y
que esa absorción de calor era tanto mayor, cuanto mayor
era el tiempo que duraba el taladrado. Si el calor es un
fluido con peso y que pasa del taladro al metal, llegará un
momento en que el taladro cederá tanto calor, que perderá
todo su peso y acabará por desaparecer, cosa que no
ocurre, por tanto el calor no puede ser material.
Después Maxwell, cincuenta años después en el siglo
XVlll, comprobó en su teoría cinética de los gases, que
este planteamiento de Thompson era cierto. El calor no es
“El hombre encuentra a DIOS detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir”
_ Albert Einstein
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más que una forma de manifestar el movimiento de las
partículas que forman el cuerpo
forma también pensamos que cuanto mas caliente está un
cuerpo, mayor cantidad de calor puede transferir.
TEMPERTATURA Y CALOR
Al calor se le denomina como energía en transito; esto
significa que los cuerpos ceden o ganan calor, pero no lo
poseen.
Las experiencias más directas sobre Calor y Temperatura
son aquellas que tienen lugar en nuestro propio cuerpo.
Todos los días y por el sentido del tacto, podemos
comprobar la existencia de cuerpos calientes y cuerpos
fríos. La idea aproximada que tenemos sobre la
Temperatura, es que cuanto mas caliente está un cuerpo,
decimos que más Temperatura posee, y, de la misma
La temperatura es una medida de la Energía Cinética
media de las moléculas que constituyen un cuerpo.
Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta la velocidad con
las que se mueven dichas moléculas, y este aumento será
tanto mayor, cuanto mayor sea la cantidad de calor
recibida ó menor sea el número de moléculas que forman
el cuerpo.
Flujo de Calor entres dos gases
Dos gases idénticos a temperaturas diferentes están
separados por una barrera aislante. El gas más caliente
contiene moléculas con mayor energía cinética media que
las moléculas del gas más frío. Cuando se juntan los
gases, la mezcla alcanza una temperatura de equilibrio
situada entre las dos temperaturas iniciales. El calor fluye
del gas más caliente al más frío hasta que la energía
cinética media de sus respectivas moléculas se iguala
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MEDIDA DE LA TEMPERATURA
Estas tres escalas se relacionan entre si mediante la
siguiente expresión:
100
180
100


C  F  32  K  273
Exprese una temperatura de 30°C en grados Fahrenheit y
en grados Kelvin
SOLUCIÓN
100
180

 10   F  32   540
30  F  32
  F  32 
540
  F  86
10
Ahora:
Existen tres escalas prácticas para medir y
expresar la Temperatura como son: Kelvin,
Fahrenheit y Centígrada.
Escalas de temperatura. Comparación de las escalas
de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit
En la actualidad se emplean diferentes escalas de
temperatura; entre ellas está la escala Celsius —también
conocida como escala centígrada—, la escala Fahrenheit,
la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala
termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto
de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de
ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el
mundo, en particular en el trabajo científico. La escala
Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para
medidas no científicas y en ella el punto de congelación del
agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como
212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de
temperaturas más empleada en trabajos experimentalez, el
cero se define como el cero absoluto de temperatura, es
decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada
kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado
Celsius.
100
100

 10   K  273   300
30  K  273
  K  303
MEDIDA DEL CALOR
El físico Francés James Prescolt Joule, demostró
cuantitativamente que un trabajo mecánico determinado,
producía siempre una misma cantidad de calor, y para ello
utilizó un dispositivo como éste:
m
mg
T
Agua
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Al dejar caer las pesas desde diferentes alturas, la energía
Potencial Gravitacional, se transforma en el trabajo capaz
de hacer que se muevan las paletas del calorímetro y,
como consecuencia de éste el agua se calienta. Y para una
misma cantidad de agua siempre se obtiene el mismo
aumento de Temperatura. Así encontró que para aumentar
en 1°C cada gramo de agua, se necesita un trabajo de
4,18 Joules.
1 Caloría = 4,18 Joules
Esta es el equivalente mecánico del calor.
Luego las unidades del calor son la caloría y el Joule
CALCULO DE CALOR
Para que se produzca un aumento o disminución de
Temperatura en un cuerpo que ha absorbido o desprendido
calor, se necesitan tres factores que son:
Por Radiación. Fundamentalmente es generado por la
emisión de ondas electromagnéticas: La luz del sol, una
bombilla, una flama, una hoguera. La radiación se produce
porque los cuerpos calientes emiten una clase de luz de
onda que pueden propagarse en el vacío, y que al ser
absorbida por el cuerpo producen en él, un aumento de
Temperatura.
Se considera que un cuerpo absorbiendo calor, su
temperatura aumenta: es decir que si un cuerpo absorbe
calor, la diferencia de Temperatura T f  Ti , es mayor
que cero, en consecuencia el calor absorbido es positivo.
Si el cuerpo que estamos considerando desprendiera calor
en lugar de absorverlo, su Temperatura disminuiría; es
decir que si un cuerpo desprende calor, la diferencia de
Temperatura T f  Ti es menor que cero, en
consecuencia el calor desprendido es negativo.
La masa m del cuerpo, El calor específico del cuerpo (Ce),
y la diferencia de Temperatura inicial Ti y final Tf
Estas tres variables están relacionadas mediante la
expresión:
1.
Si se calienta un trozo de metal, éste se dilata.
Explique si ese metal también aumentaría de
peso, debe dar argumentos físicos que
sostenga la explicación.
2.
Se calientan en el mismo calentador dos
cantidades diferentes de una misma sustancia
que se encuentran
inicialmente a igual
temperatura. La de menos masa se calienta
más rápido? ¿Si?, ¿No?, ¿Por qué?
Q  m  Ce  T f T i 
TRANSMISIÓN DEL CALOR
El calor producido por una fuente calórica se propaga por
todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión de calor
puede hacerse por conducción, por convección y por
radiación.
3. Si mezclas dos sustancias que tienen
diferentes Temperaturas. Se puede afirmar:
que______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
___________________________
Por Conducción. Generalmente este calor se propaga en
los sólidos y consiste en la propagación de las vibraciones
de sus moléculas.
Por Convección. Esta es la forma en que se propaga el
calor en los líquidos y los gases; se trata de una fuente o
radiación de calefacción que calienta el aire que lo rodea,
este aire por ser mas ligero que el aire frío, asciende, y el
espacio que deja es ocupado por el aire frío, al calentarse
también asciende produciendo unos movimientos de fluido.
4.
¿Puede adicionarse calor a una sustancia, sin
que cambie su temperatura?
¿Qué pasa si esta sustancia es un gas?, ¿Un
líquido?, ¿Un sólido? Explique.
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5.
Exprese la Temperatura de una persona que
tiene fiebre a 39°C, en grados Fahrenheit y
grados Kelvin.
6.
¿Qué lecturas marcarían los termómetros
Celsius y Kelvin, cuando la Temperatura es de
77°F y -31°F?
7.
La temperatura del cuerpo humano es de 91°F.
¿Cuál es esta temperatura en grados Celsius y
Kelvin?
8.
Ser mezcla un cubo de hielo a un beaker que
contiene 450 ml de agua en condiciones
normales. Describe el fenómeno físico que se
presenta.______________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________
_____________________
9.
¿Qué pasaría si la tierra estuviera cubierta de
una capa densa de neblina, de modo que los
rayos del sol no llegasen a su superficie?
10. estímese cuanto se elevaría la Temperatura del
cuerpo humano, si retuviera las 2000 calorías
de los alimentos de un día. Para una persona el
valor del calor específico es de alrededor de
0,83
Cal  C
gr
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ACTIVIDAD DE LABORATORIO
Materiales: - 2 Beakers de 250 ml
- 1 Termómetro
- 1 Calentador o parrilla.
- 1 Balanza.
- 1 Cronómetro.
1- Pese cada uno de los Beakers y escriba los resultados en la tabla de datos.
2- Vacíe en cada uno 200 ml de agua y nuevamente péselos. Escriba en la tabla.
3- Con los datos anteriores calcule el peso del agua y escríbalos.
4- Mida la Temperatura del agua en cada beaker y escríbala (Temperatura inicial)
5- Coloque uno de los Beakers con agua en el calentador hasta que adquiera una Temperatura de 70°C
6- Pese de nuevo cada Beaker. ¿Aumentó o disminuyó el peso del agua? ¿Será el calor una sustancia?
TABLA DE DATOS N° 1
Beaker
Peso
Beaker(g)
Peso
Beaker con
agua (g)
Peso del
Agua(g)
Temperatura
Inicial (°C)
Temperatura
Final (°C)
Peso final
beaker con
agua (g)
1
2
7. Vacíe 200 ml de agua en un beaker y en el otro 100 ml. mida la Temperatura en cada uno y escriba (Temperatura
inicial).
8. Coloque los dos beakers en el calentador al mismo tiempo y con la ayuda del cronómetro, determine cual de las
dos cantidades de agua ebulle primero. Escriba el tiempo en la casilla correspondiente.
9. Cuando una de las cantidades ebulla, mida la Temperatura en ambos beakers y escriba.
10. ¿Qué puedes concluir de la anterior? ¿se obtendrá los mismos resultados calentando 50 ml de agua en un beaker
que en una probeta?
TABLA DE DATOS N° 2
Beaker
1
2
Volumen
(ml)
200
100
Temperatura
Inicial (°C)
Temperatura
Final (°C)
Tiempo de
Ebullición (s)
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11. Vacíe en cada beaker, 100 ml de agua y coloque uno de ellos en el calentador hasta adquirir una temperatura
de 80 ° C. Mida la Temperatura del agua en el otro beaker y escríbala (Temperatura inicial).
12. Mezcle los dos volúmenes de agua en un solo Beaker.
13. Mida la temperatura de la mezcla y escríbala.
14. ¿Que le sucedió a la Temperatura en cada una de las cantidades de agua?
TABLA DE DATOS N° 3
Beaker
1
2
Temperatura Inicial
80°C
Temperatura final mezcla
15. Toque la baldosa del piso. ¿Cómo la siente?_______________________________Mida
la Temperatura del suelo_______________
16. Toca la madera de tu asiento. ¿Cómo lo siente?_____________________________Mida
la Temperatura del asiento________________
17. ¿Por qué las temperaturas no son diferentes?
18. ¿La sensación de frío implica una disminución de temperatura del objeto?
En la vida cotidiana podemos observar las
siguientes situaciones:
1.
Los rieles de las carrileras no son continuos,
estos presentan ciertas separaciones.
2.
Si tenemos un agujero en una lámina de
hierro, al aumentar la temperatura de la
lámina, el diámetro del agujero aumenta.
3.
Para destapar un frasco de mermelada a
veces calentamos la tapa para poderla abrir
fácilmente.
Los casos anteriores nos muestran como al
aumentar la temperatura de un cuerpo, éste se
dilata.
Existen tres tipos de dilatación: Lineal, superficial
y volumétrica. Estudiaremos la dilatación lineal.
DILATACIÓN LINEAL.
Esta tiene que ver con la variación de la longitud
del cuerpo y la variación de la temperatura a la
cual se somete. En el caso de una varilla de
longitud inicial l o , el cambio de longitud l ,
está relacionado con la longitud inicial l o y con el
cambio de Temperatura  T , lo anterior se
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puede expresar simbólicamente de la siguiente
manera:
1.
l  lo  T
Una regla de acero tiene una longitud de 0,45
metros a una Temperatura de 18° C ¿Cuál será
la longitud a 100° C?
SOLUCIÓN
ó lo que es lo mismo l  K  lo  T
dónde K es el coeficiente de dilatación lineal.
Debemos recordar que l  l f  lo
y que
T  T f  To , entonces
l f  lo  1  K  T 

l f  0,45m  1  12106C 1  82C
l f  0,4504m
2.
Responde la siguiente pregunta y justifica la
respuesta.
a.
¿Has notado que las personas cuando viajan a
tierra caliente sufren inflamación, que se nota
especialmente en las manos o en los pies? ¿A
qué se debe éste fenómeno?
b.
Experimenta:
l f  lo  K  lo  T  l f  lo  1  K  T 
lo
… l …
El valor de K depende del material.

TABLA DE COEFICIENES DE DILATACION

SUSTANCIA
COEFICIENTE DE DILATACIÓN

Acero


Cuarzo
12  106
6
24  10
6
26  10
14  106
0,4  106
Ámbar
0,9  106
Latón
20  106
20  106
0,4  106
Aluminio
Zinc
Cobre
Plomo
Silicio
Tugsteno
Vidrio común

 C 1
3.
4.
Haz un agujero con una puntilla en un
tarro vacío, cerciórate que ésta se
deslice fácilmente en el agujero.
Sujeta la puntilla con unas pinzas y
caliéntala.
Trata de introducir a hora las puntillas en
el agujero.
Entró la puntilla en el agujero.
Da una explicación de lo sucedido.
Si la puntilla del ejercicio anterior tiene una
longitud de 4 cm. a una Temperatura ambiente de
20° C ¿Cuál será la longitud si al calentarse
alcanza una Temperatura de 95º C? (material de
la puntilla es acero).
Halla el coeficiente de dilatación lineal de una
varilla de hierro que a 20° C mide 200 cm. y cuya
longitud a 90° C es de 200,17 cm.
4  106
9,0  106
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CAMBIOS DE ESTADO
En el principio de la Conservación de la Energía
consideramos como ésta se puede transformar en otras
así:
El fuego (Energía Calorífica) puede producir emisión de luz
que es energía luminosa.
Cada una de las sustancias que nos rodean se encuentra
en estado físico característico. Por ejemplo, el aire es un
gas, la gasolina es un líquido, el hierro es un sólido, etc.
Sin embargo es posible encontrar estas sustancias en
otros estados distintos al habitual. Así conocemos la
existencia del hierro fundido o del butano líquido con el que
se llenan los encendedores.
¿De qué depende el que una sustancia se encuentre en un
estado físico determinado?
. En primer lugar depende del tipo de sustancia que
estamos considerando.
También depende de la Temperatura: calentando se puede
transformar en vapor toda el agua de un recipiente y
enfriando esa misma agua se puede transformar en hielo.
. La presión es el tercer factor a tener en cuenta. Si se
somete una sustancia a grandes presiones, se puede
conseguir que cambie de estado aunque no se modifique la
Temperatura. El gas butano con el que se cocina, se
encuentra en estado líquido dentro del cilindro que lo
contiene y se transforma en gas al salir de él. Esto es
debido a que la presión atmosférica es mucho menor que
la presión a que está envasado el butano.
El estado físico en el que se encuentra una determinada
sustancia depende de la Temperatura y de la Presión a la
que dicha sustancia se encuentra sometida. Modificando
uno de estos factores o los dos, es posible conseguir que
la sustancia cambie de estado.
También se ha observado que podemos aumentar la
energía térmica de un objeto, golpeándolo con un martillo,
frotándolo contra otro, ó sometiéndolo a que reciba calor al
ponerlo en contacto con otro objeto más caliente.
Las anteriores situaciones muestran que podemos
aumentar la energía interna de un objeto, si realizamos
trabajo sobré él o si le suministramos calor. De la misma
forma la energía disminuye si el sistema, cede calor o si
realiza trabajo sobre otro sistema.
Podemos concluir que se produce cambio en la energía
interna de un sistema (aumento), cuando se le suministra
calor, ó (disminución) cuando el sistema realiza trabajo
sobre otro sistema.
Si Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo
realizado por el sistema, el cambio en la energía interna del
sistema U , está dado por:
U  Q  W ,
Esta expresión se conoce como la primera ley de la
termodinámica, que habla del principio de conservación de
la energía aplicada a un sistema, cuando se consideran los
procesos termodinámicos producidos en él.
 El calor suministrado a un sistema se
transforma en aumento de la energía interna
y/o trabajo realizado por el sistema
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Procesos
La eficiencia ideal o eficiencia de carnot esta dada por:
Proceso cíclico
En este el calor que recibe el sistema se transforma en
trabajo y no hay cambio en su energía interna
∆U = 0
Y entonces,
Q=W
Proceso adiabático
En este el sistema no gana ni pierde calor esto es,
Q=0
En tanto, el cambio de energía interna es igual al trabajo.
∆U = -W
Proceso isovolumétrico
En este no hay cambio de volumen, por tanto no hay
trabajo.
∆U = Q
e : ( Tc – Tf )
Tc
En donde T es la temperatura del foco caliente en kelvin y
t la temperatura del foco frío. Por ejemplo, si en una
maquina de vapor el foco caliente esta a 500K y el foco frío
a 300K, su eficiencia es:
e = ( 500 - 300 ) = 0.4
500
Esto es, una eficiencia del 40%
Si la temperatura del foco caliente se subiera a 600K, la
eficacia pasaría a
E = ( 600 - 300) = 0.5 ó 50%
600
O sea, en condiciones ideales apenas una parte de la
energía interna del vapor se transforma en trabaja útil, el
resto se pierde en el medio.
Preguntas
Proceso isobárico
En este la presión del sistema permanece constante; por
tanto el trabajo realizado es igual a la presión multiplicada
por el cambio de volumen:
W = P ( Vf – Vi )
Y entonces,
∆U = Q – P ( Vf – Vi )
Hemos observado que un líquido caliente se enfría hasta
quedar a temperatura ambiente, es decir que el calor fluye
del líquido al ambiente que lo rodea, sin embargo no se ha
observado que el Calor fluya espontáneamente de los
cuerpos fríos a los cuerpos calientes. Este resultado se
manifiesta en la segunda ley de la termodinámica, la cual
expresa que: El calor no fluye espontáneamente de los
cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes.
1. Después que ha fluido energía calorífica en un sistema,
¿Dónde puede encontrarse esta energía, en la energía
interna del sistema? Proporcione tantos ejemplos
concretos como pueda de esta situación.
2. considere la maquina simple de calor mostrada en la
figura. El líquido calentado en la porción derecha se
expande y es levantado por el líquido mas frió de la
izquierda. como resultado, el liquido circula dentro del tubo
en el sentido contrario de las manecillas del reloj. Al
hacerlo, hace que gire la rueda de paletas, que esta
acoplada a un dispositivo externo del cual se extrae
trabajo. Explique los factores que afectan el rendimiento de
esta maquina.
¿Qué debería hacerse para que tuviera su máximo
rendimiento?
En 1849, el ingeniero francés Sadi Carnot publicó los
resultados de estudios realizados sobre el modo de operar
de una maquina de vapor y el limite teórico de su
eficiencia. Carnot demostró que el limite de calor trans
formable en trabajo depende de la diferencia de de
temperatura entre el foco caliente y el foco frio.
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3. un gas efectúa el ciclo mostrado en la figura.
a. Hállese el trabajo que realizo el gas en las
partes AB, CD, DA del ciclo
b. Cual es el trabajo total que efectuó el gas
durante el ciclo.
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