FÍSICA

FÍSICA
Diseño de Interiores y Mobiliario
2014
PROF.
ING.
CECILIA
ARIAGNO
ING. DANIEL MORENO
Unidad Nº 4 : Fenómenos térmicos
Introducción: Temperatura, calor, energía interna, transferencia, transmisión son conceptos
básicos de la física térmica. Conocer cómo se relacionan y afectan a la materia es uno de
los objetivos de esta unidad.
ENERGÍA TÉRMICA Y TEMPERATURA
Teoría Cinético-molecular: Las moléculas de todos los cuerpos están en permanente
movimiento. La energía térmica del cuerpo se asocia a la energía cinética de las partículas
que lo componen. A mayor velocidad de las partículas mayor es la energía térmica del
cuerpo.
La temperatura está directamente relacionada con la energía térmica de un cuerpo, es una
magnitud escalar macroscópica. Cuanto mayor es la temperatura mayor velocidad tendrán
sus partículas y mayor será la energía cinética de traslación, rotación y vibración.
Las partículas en los sólidos sólo pueden vibrar en torno de un centro, mientras que en los
gases se mueven casi con total libertad.
El termómetro es el instrumento más usado para medir la temperatura. El termómetro, en
contacto con el cuerpo, llegará a un equilibrio térmico con él. En ese momento el termómetro
tendrá la misma temperatura que el cuerpo. Según la temperatura que tenga el termómetro,
el líquido de su interior alcanzará una altura mayor o menor.
Escalas de temperatura: Como cualquier otra magnitud, la temperatura se puede medir
utilizando diferentes tipos de unidades y escalas. La escala más utilizada es la Celsius [ºC]
La escala del Sistema Internacional es la escala absoluta o Kelvin y la unidad el Kelvin [K]
En los países anglosajones se emplea habitualmente la escala Fahrenheit , y su unidad es
el [ºF]. Otra escala es la Réaumur (casi en desuso) y su unidad el [ºR]
1
Nota: Un físico inglés conocido como Lord Kelvin (1824-1907), definió una escala de
temperaturas que denominó escala absoluta queriendo significar con ello una absoluta
independencia de la clase de sustancia termométrica que se empleara.
En esta escala se utiliza como extremo inferior la temperatura más baja que puede existir, y
se la denomina cero Kelvin o cero absoluto (0 K). Como la temperatura mide la intensidad
de movimiento de átomos y moléculas, el cero absoluto corresponde a un estado en el cual
los átomos y moléculas de ciertos gases perfectos están casi quietos, las sustancias ya no
tienen energía cinética que ceder. (A esta temperatura se llegó por aproximación, no pudo
lograrse experimentalmente).
La temperatura del cero absoluto corresponde a – 273°C.
Esta escala de temperatura se conoce con el nombre de escala Kelvin o termodinámica de
temperaturas. En ella cada grado tiene el mismo tamaño que el de la escala centígrada y
todas las temperaturas en esta escala son positivas.
El CALOR
El calor es una energía en tránsito que viaja desde los cuerpos de mayor temperatura a los
de menor temperatura. Un cuerpo perderá energía interna y bajará su temperatura y que
otro la subirá, hasta que se igualen, momento en que cesará el flujo.
El término calor sólo debe emplearse para designar la energía en transición, es decir, lo que
se transfiere de un cuerpo a otro originando un aumento en la energía de agitación de sus
moléculas y átomos. Por lo tanto, no se puede decir que “un cuerpo tiene calor” o que “la
temperatura es la medida del calor de un cuerpo” ya que lo que un sistema material posee
es Energía Interna y cuanto mayor sea su temperatura mayor será también dicha energía
interna.
Cuando a un sólido se le da calor, aumenta la energía térmica de sus partículas y éstas
vibrarán con más velocidad. Cuando su velocidad es lo suficientemente grande ya no
pueden mantenerse juntas y se separan. Así el sólido va pasando a estado líquido o
gaseoso.
Lo contrario pasa cuando un gas pierde calor, sus partículas pierden energía y pueden
terminar juntándose dando lugar a sólidos o líquidos.
Para aumentar o disminuir la temperatura de un cuerpo, hay que darle o quitarle calor. Esa
cantidad dependerá de la masa del cuerpo (a más masa, mayor calor) y de su naturaleza
(algunas sustancias se calientan con más facilidad que otras).
Unidades de calor
Como el calor es una forma de energía, se mide en unidades energéticas. Entonces en el
S.I. mediremos el calor en joule [J]. Pero en la práctica actual se emplea aún otra medida de
calor muy antigua, la cual recibe el nombre de caloría (cal).
Por definición una cal. es la cantidad de calor que debe transmitirse a un gramo de agua
para que su temperatura se eleve en un grado centígrado de 14,5ºC a 15,5 ºC.
Joule estableció experimentalmente la relación entre estas dos unidades y obtuvo:
1 cal = 4,18 J
1 J = 0,24 cal (desarrollado en la unidad de Magnitudes)
Cada vez está más difundido el empleo del Joule como unidad internacional de energía.
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Equilibrio térmico: es la igualación de la temperatura de dos cuerpos al transferir calor
desde el de mayor, al de menor temperatura.
La cantidad de calor Q que cede uno de ellos la absorbe el otro. Si adoptamos la convención
de que el calor ganado es positivo y el perdido es negativo, obtenemos que la suma
algebraica entre dichas cantidades de calor es igual a cero.
Q gan.+ Q per = 0
ó
Q gan = - Q per
Esto no es otra cosa que una manera de expresar la conservación de la energía para el
intercambio calórico. (Principio de conservación de la energía)
Cambios de estado
Los estados de agregación de la materia son: sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de ellos
se caracteriza por la intensidad de las fuerzas moleculares.
A medida que un cuerpo recibe calor, va aumentando su temperatura hasta que alcanza el
punto crítico llamado punto de fusión (o de solidificación) o punto de vaporización ( o de
condensación) según el caso, y comienza el cambio de estado. Se rompen o se forman
nuevos enlaces entre las partículas que lo componen, cambian los espacios vacíos, se
modifica su volumen .En este proceso de cambio de estado la temperatura permanece
constante.
El calor que recibe o pierde un cuerpo mientras está cambiando de estado, no se emplea en
aumentar o disminuir su temperatura, sino que se emplea en romper o formar las uniones
entre las partículas que componen el cuerpo.
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INTERCAMBIO DE CALOR
La cantidad de calor que hay que dar o quitar a un cuerpo para que cambie su temperatura
depende, por supuesto, de su masa, y de la magnitud de esa variación de temperatura.
Dentro de ciertos límites, se puede considerar que esa cantidad de calor (Q) es proporcional
a la masa (m) de sustancia y a la variación de temperatura ∆T ). La constante de
proporcionalidad típica para cada sustancia se conoce como calor específico (ce) de la
sustancia:
m: masa
ce: calor específico
∆T= Tf –Ti Variación o incremento de temperatura
Q = ce . m . ∆T
Cada sustancia tiene su propio calor específico que indica la cantidad de calor que debe
ganar o ceder una unidad de masa para que su temperatura aumente o disminuya en un
grado.
Por ej. El calor específico del agua es 1 cal/g°C, ya que por a cada gramo de agua es
necesario entregarle 1 cal para que eleve su temperatura de 14,5 ºC a 15,5 ºC
Cuando un objeto que se encuentra a una temperatura coincidente con alguno de sus
puntos de fusión o de vaporización, y recibe calor, ocurre un cambio de estado.
La temperatura a la que una sustancia pasa de un estado a otro se llama temperatura de
cambio de estado o punto de cambio de estado, y depende mucho de la presión.
Cada sustancia tiene un calor latente de fusión Lf y un calor latente de vaporización Lv
característico, que se miden, por ejemplo, en cal/g.
El calor latente [l]de cambio de estado expresa qué cantidad de calor debe intercambiar una
unidad de masa de sustancia que se halla a la temperatura de cambio de estado, para que
tenga lugar ese cambio.
La cantidad de calor transferida en un cambio de estado se expresa:
Q=± m.Lf o Q= ± m. Lv
Cuando una masa se funde el Qfusión>0, cuando se solidifica Qsolidificación<0.
Cuando se vaporiza Qvaporiación>0, y cuando se condensa Qcondensación<0
Ejemplo del proceso de aumento de temperatura de un bloque de hielo hasta convertirse
completamente en vapor de agua.
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TRANSFERENCIA DE CALOR.
El calor es energía que fluye desde un objeto a otro como consecuencia de la diferencia de
temperatura entre ellos. El sentido natural del flujo espontáneo del calor es desde los
cuerpos con mayor temperatura a los de menor temperatura.
En el cuerpo humano a 37 ºC hay un flujo permanente de calor hacia el exterior, que es
fundamental para que la temperatura del organismo se mantenga constante. El proceso
metabólico convierte permanentemente energía química en energía térmica interna.
Conducción.
En este proceso la transferencia de calor se produce a escala atómica como un intercambio
de energía cinética entre las moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan
energía al chocar con las más energéticas.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del
medio conductor.
Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los
objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
Se define como velocidad de flujo al calor que fluye desde una cara a otra en la unidad de
tiempo. [H]=[cal/s] o [J/s]=[watt]
Ley de conductividad del calor: ley de Fourier:
H: velocidad de flujo. [
K: coeficiente de conductividad térmica
A: área de la superficie
∆T=diferencia de temperatura
∆x o ∆L: espesor
Tabla de conductividad térmica de algunos materiales[
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H=
Convección
Es un proceso de transferencia de calor en fluidos, que se
caracteriza por un movimiento de masa o circulación dentro
de la sustancia, llamado corriente de convección. Puede
ser natural, producida solo por las diferencias de
densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es
obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire
con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se
produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas
son libres de moverse en el medio.
En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y
radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por
convección.
Corrientes de convección en las zonas costeras
Calentamiento de
un ambiente 1
Radiación
Todos los cuerpos irradian energía continuamente en la forma de ondas electromagnéticas
que viajan a la velocidad de la luz. 300.000 km/s. La
radiación térmica es energía emitida por la materia que
se encuentra a una temperatura dada, se produce
directamente desde la fuente hacia afuera en todas las
direcciones. Esta energía es producida por los cambios
en las configuraciones electrónicas de los átomos o
moléculas constitutivos y transportados por ondas
electromagnéticas o fotones, por esto recibe el nombre
de radiación electromagnética
A diferencia de la conducción y la convección, o de
otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un
medio material para propagarse, la radiación
electromagnética es independiente de la materia para
su propagación, de hecho, la transferencia de energía
por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo,
la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de
energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el
espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.
Se denomina constante de emisividad [ ε ] a un coeficiente que indica la propiedad que tiene
un material u objeto para irradiar. Su valor está comprendido entre 0 y 1, siendo para Hay
objetos que son absorbedores ideales por absorber toda la radiación luminosa que incide
sobre él, incluida la infrarroja y la ultravioleta, ambas invisibles. Se llaman cuerpos negros
(no significa sean de color negro) y para ellos ε=1.
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DILATACIÓN
Los efectos más comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos o
sustancias, son los cambios en sus dimensiones y los cambios de fase. Nos referiremos a
los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se produzcan cambios de fase.
Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y
gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de
los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.
Dilatación de los sólidos
La dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto
o ancho, que se produce al aumentar su temperatura.

Dilatación lineal: Generalmente se observa la dilatación lineal al tomar un trozo de
material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de
temperatura. El aumento que experimentan las otras dos dimensiones del cuerpo
son despreciables frente a la longitud. Si la longitud inicial de esta dimensión lineal
es “Lo”, a la temperatura To y se aumenta la temperatura a T se produce un aumento
en la longitud de la barra indicado como Lf.
Se produce un incremento de longitud que simbolizaremos como ΔL . ΔL= Lf - Lo
Experimentalmente se evidencia que el cambio de longitud ΔL es proporcional al
cambio de temperatura (ΔT) y a la longitud inicial Lo.
Esto lo podemos expresar con la relación:
expresión:
ΔL =α. Lo. Δt ;
ΔL ∝ Lo. Δt
o bien con la
LF = Lo +ΔL = Lo+ Lo.α.∆T
LF = Lo ( 1 + α.∆T)
Donde α es un coeficiente de
proporcionalidad,
que denominado
“coeficiente de dilatación lineal”, y que
es distinto para cada material.
Para comprender la dilatación, es
conveniente visualizar el fenómeno a
nivel microscópico, la expansión
térmica de un sólido sugiere un
aumento en la separación promedio
entre los átomos en el sólido.
Si la barra de la Figura, está fija en uno
de sus extremos, por ejemplo
empotrada, a causa de la dilatación
térmica, se desarrollan esfuerzos en la
misma, que se deben tener en cuenta
para los cálculos del diseño de la pieza
o de su instalación.
7

Dilatación Superficial: cuando tomamos un plano dentro
de un cuerpo sólido, de modo que el área de la superficie
de dicho plano está dada por la expresión:
S = L1.L2,
se determina que: ∆S = So.2.α.∆T
y
SF = So +ΔS = So+ So.2.α.∆T
SF = So ( 1 + 2.α.∆T)
Donde (1 + 2 α.∆T) llamado binomio de dilatación superficial.
Se considera ésta dilatación cuando el objeto tiene dos dimensiones relevantes
frente a la tercera. Por ejemplo: placas, planchas, hojas, etc.

Dilatación volumétrica: Cuando las tres dimensiones de un objeto se modifican por
efectos de aumentos de temperatura se habla de una aumento de volumen:
∆V = Vo.3α.∆T
y
VF = Vo ( 1 + 3α.∆T)
Coeficiente de dilatación:
PROPIEDADES ESPECÍFICAS O CONSTANTES FÍSICAS DE ALGUNAS
SUSTANCIAS
SUSTANCIA
CALOR
ESPECÍFICO
( Cal/gºc )
CALOR LATENTE
DE FUSIÓN
( Cal/g )
Temperatura de
Fusión ( ºC)
CALOR LATENTE
DE VAPORIZACIÓN
( Cal/g )
Temperatura de
Vaporización
( ºC)
Aluminio
Hierro
Plata
Plomo
Cobre
Hielo
Aceite
Agua
Alcohol
Mercurio
Vapor de agua
Cuerpo humano
0,217
0,115
0,056
0,031
0,093
0,489
0,4
1
0,547
0,033
0,45
0,83
77
6
21
5,5
42
80
2,8
658
1530
962
327
1083
0
- 39
1200
70
540
208
357
1800
2200
1740
2595
357
316
100
79
70,6
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Trabajo Práctico
Responder:
1. ¿Por qué el agua de la pava nunca supera los 100 ºC?
2. Uno de las sustancias con mayor calor específico es el agua. Explica una situación de
diseño en la cual se aplique esta propiedad del agua.
3. La madera es mejor aislante que el vidrio. Sin embargo, es muy común el uso de lana de
vidrio para aislar construcciones de madera. ¿Por qué?
4. Si introduces una varilla metálica en un montón de nieve, el extremo que sostienes con
la mano no tarda en enfriarse. ¿Acaso fluye frío de la nieve hacia la mano?
5. ¿Por qué se siente más frío al tacto un trozo de metal a temperatura ambiente que uno
de papel, de madera o de tela?
6. Decide cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera:
La convección tiene lugar:
a) sólo en líquidos
b) sólo en sólidos
c) sólo en gases
d) en sólidos y líquidos
e) en líquidos y gases
7. Explica la causa por la qué en los países cálidos las vestimentas son, por lo general
blancas o claras.
8. ¿Por qué son buenos aislantes los materiales como las pieles, las plumas y la nieve?
9. ¿Por qué al colocar un plato de vidrio común sobre una estufa usualmente se rompe? Si
fuera de Pyrex esto no ocurriría, ¿qué característica del Pyrex previene la rotura?
10. Indica las propiedades que deben tener los materiales que se utilizan para aislar casa:
techos, paredes pisos, etc.
11. Ordena estos materiales considerando los valores de su conductividad térmica de
ladrillo-bloque de cemento- espuma de estireno- vidrio- fibra de celulosa-guata de fibra
de vidrio de 3,5 pulgadas.
12. ¿A qué se llama Termografía? ¿En qué transferencia del calor se basa? Da una
aplicación a una investigación de diseño.
13. Describe y explica dos situaciones en las cuales el conocimiento del coeficiente de
dilatación de los materiales es determinante para su diseño. Aclara a qué dilatación te
refieres.
14. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de dilatación del vidrio Pyrex y el de un vidrio
común? ¿Cómo se relaciona esto con la posibilidad del Pyrex de soportar altas
temperaturas?
15. Explica el funcionamiento de una banda bimetálica como control de temperatura?
¿Dónde es usual encontrarlas?
16. ¿Cuáles de las combinaciones de propiedades siguientes darán lugar a la dilatación más
pequeña de una sustancia debido a la absorción de energía térmica?
a. Calor específico pequeño y coeficiente de dilatación grande.
b. Calor específico pequeño y coeficiente de dilatación pequeño
c. Calor específico grande y coeficiente de dilatación grande
d. Calor específico grande y coeficiente de dilatación pequeño
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