Física 1 - RicardoNica

Calor y Fluido
Mayo de 2009
Calor
1.- Definiciones.
¾ Termodinámica: estudia las transferencias de energía con intervención de la temperatura.
¾ Temperatura: medida de la energía interna del cuerpo, de la energía molecular,
básicamente de la energía cinética de traslación de las moléculas del
cuerpo, no tiene en cuenta la energía cinética de rotación ni de vibración
de las moléculas.
¾ Calor: energía que se transfiere de un cuerpo a otro por efecto de una diferencia de
temperaturas.
¾ Cero absoluto de temperatura: es la temperatura mínima que se puede alcanzar, debido
a que la temperatura es una medida de la energía
cinética de las moléculas
2.- Escalas de temperatura.
Hay muchas escalas, unidades, para medir la temperatura, pero las más usuales son
cuatro. Celsius (o centígrados), Kelvin (la del Sistema Internacional), Fahrenheit y Rankine.
Las escalas Celsius y Fahrenheit son las usadas comúnmente por la población,
mientras que la Kelvin y la Rankine se utilizan científicamente.
Comparación de las escalas de temperatura:
Punto de
ebullición del agua
fusión del agua
Cero absoluto
°C
100.00°
0.00°
-273.15°
K
373.15
273.15
0.00
°F
212°
32°
-459°
R
671
492
0
De la tabla se pueden sacar las siguientes conclusiones:
¾ Las escalas Celsius y Kelvin son la misma, excepto porque se ha desplazado el cero
hasta el cero absoluto para que no haya temperaturas negativas (concepto imposible
para la energía)
¾ Las escalas Fahrenheit y Rankine son la misma, excepto porque se ha desplazado el
cero hasta el cero absoluto para que no haya temperaturas negativas (concepto
imposible para la energía)
¾ Una variación de un grado Celsius es igual que una variación de un grado Kelvin.
Dicho de otro modo, si las escalas fueran escaleras y los grados fueran escalones
(gradas), la altura de un escalón Celsius y Kelvin sería la misma.
¾ Igual para las escalas Fahrenheit y Rankine, los escalones tienen la misma altura.
¾ Un grado Fahrenheit o Rankine es mayor que un grado Kelvin o Celsius
¾ REALMENTE SÓLO HABLAMOS DE DOS ESCALAS, la del sistema internacional
(Kelvin y Celsius) y la británica – gringa (Fahrenheit y Rankine).
Cambios de escalas:
t = TK − 273.15
El resto de cambios se pueden realizar C
9
a partir de estos.
TR = TK
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t F = TR − 459
9
5
t F = tC + 32 ⇔ tC = (t F − 32 )
5
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3.- La presión.
La presión es la fuerza por unidad de área, y es una magnitud muy
importante en termodinámica, sobre todo para los fluidos.
P=
F
S
Unidades de la presión:
En el sistema internacional (SI)
[P] =
N
m2
Otras unidades: atmósfera (atm), milímetros de mercurio (mmHg), bar y milíbar (bar, mbar)
N
N
1 atm = 760 mmHg = 1.013 ⋅10 5 2 ,
1bar = 10 5 2 ,
1bar = 10 3 mbar
m
m
4.- La dilatación térmica.
Todos los cuerpos se dilatan cuando aumenta la temperatura. Un ejemplo de esto es
que para introducir una tubería en otra de igual tamaño se calienta una de ellas, de esta
forma se dilata y la otra alcanza en su interior. Al enfriarse regresa a su tamaño y la unión
queda fija.
El agua entre 0° y 4° C es la única excepción, a estas temperaturas se comprime,
disminuye su tamaño. Una prueba de esto es que al colocar agua en la refrigeradora cuando
disminuye su temperatura por debajo de los 4° C en lugar de comprimirse como cualquier
otro material, el agua se dilata.
4.1.- Dilatación lineal.
Consideramos dilatación lineal cuando sólo se dilata en una dimensión, o cuando el
objeto tiene una dimensión mucho mayor que las otras, por ejemplo una varilla de hierro. La
dilatación lineal sigue la siguiente fórmula:
∆L = α ⋅ Lo ∆T
⇔
L f − Lo = α ⋅ Lo (T f − To )
donde α es el coeficiente de dilatación lineal, que depende del material.
1
1
=
α se mide en
°C K
4.2.- Dilatación superficial.
Consideramos dilatación superficial cuando sólo se dilata en dos dimensiones (el
área), o cuando el objeto tiene dos dimensiones mucho mayores que la otra, por ejemplo una
lámina de zinc. La dilatación superficial sigue la siguiente fórmula:
∆S = β ⋅ S o ⋅ ∆T
⇔
S f − S o = β ⋅ S o (T f − To )
donde β es el coeficiente de dilatación superficial, que depende del material.
1
1
=
β se mide en
°C K
En el caso que las dos direcciones de la superficie se dilaten por igual se puede considerar
que el coeficiente de dilatación superficial es:
Lic. Ricardo López
β = 2 ⋅α
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4.3.- Dilatación cúbica (o volumétrica).
Consideramos dilatación cúbica cuando se dilata en las tres dimensiones (el volumen),
La dilatación cúbica sigue la siguiente fórmula:
∆V = γ ⋅ Vo ⋅ ∆T
⇔ V f − Vo = γ ⋅ Vo (T f − To )
donde γ es el coeficiente de dilatación cúbico, que depende del material.
1
1
=
γ se mide en
°C K
En el caso que las tres dimensiones se dilaten por igual se puede considerar que el
coeficiente de dilatación cúbico es: γ = 3 ⋅ α
Tabla de algunos coeficientes de dilatación:
Material
Plomo
Aluminio
Bronce
Cobre
Concreto
Acero
Cristal ordinario
Cristal Pirex
Carbono, diamante
α en 1/°C
−6
29 ⋅10
24 ⋅10 −6
19 ⋅10 −6
17 ⋅10 −6
12 ⋅10 −6
11 ⋅10 −6
9 ⋅ 10 −6
3.2 ⋅10 −6
1.2 ⋅ 10 −6
Material
γ en 1/°C
Gasolina
9.6 ⋅10 −4
1.82 ⋅ 10 −4
1.5 ⋅ 10 −4
1.12 ⋅10 −4
Mercurio
Acetona
Alcohol etílico
5.- Los termómetros.
Los termómetros son aparatos para medir la temperatura, y se basan en tabular la
variación de volumen de un material cuando varía la temperatura.
El más común es el termómetro de mercurio (Hg), pero no es el único. Para
temperaturas inferiores a – 50°C el termómetro de mercurio no sirve porque el mercurio
solidifica, en estos casos se utilizan termómetros de alcohol.
En la actualidad existen termómetros electrónicos, estos se basan en las propiedades
termo – eléctricas de ciertos materiales, y no los consideraremos en este punto.
Lic. Ricardo López
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