Calorimetría-Transferencia de calor, Diapositivas de Física Avanzada

¡Descarga Calorimetría-Transferencia de calor y más Diapositivas en PDF de Física Avanzada solo en Docsity! Datos/Observaciones Si desea cocinar rápidamente los alimentos ¿Qué olla elije? Ollas de cobre Ollas de aluminio https://www.elpalaciodehierro.com/ Ollas de hierro Cálculo Aplicado a la Física 3 CALORIMETRÍA TRANSFERENCIA DE CALOR Semana 11 – Sesión 02 (S11.s2) Datos/Observaciones Calor El calor (Q) es el flujo de energía de un objeto a otro debido a la diferencia de temperatura entre los objetos. El flujo ocurre de mayor a menor temperatura Como el calor es una forma de energía la unidad que se usa en sus medidas es el Joule (J). Otra unidad de calor muy usada es la caloría (cal) que se define como el calor necesario para cambiar en un 1°C la temperatura de 1 g de agua. 1 cal = 4,186 J 𝑇𝑇𝐶𝐶 𝑇𝑇𝐹𝐹 Datos/Observaciones Experimento de Joule Sobre el agua se realiza trabajo mediante la rueda giratoria que es impulsada cuando los bloques caen. El agua dentro del recipiente se calienta debido al rozamiento entre las paletas y el agua. Este calor genera un aumento de la temperatura que es medido por un termómetro. Al realizar este experimento James Joule encontró que la pérdida de energía mecánica es proporcional a la masa de agua y la variación de la temperatura. La constante de proporcionalidad que encontró fue aproximadamente 4,186 J/g°C. Así, el calor necesario para cambiar en un 1°C la temperatura de 1 g de agua será 4,186 J. Esta cantidad de calor es una caloría. Datos/Observaciones Capacidad calorífica o Capacidad térmica La capacidad calorífica depende de la masa del cuerpo Capacidad Calorífica, C: Es la cantidad de calor que requiere un cuerpo para producir un cambio de temperatura ΔT. Esta cantidad, por supuesto, depende de la masa del cuerpo. Entonces, un cierto tipo de material se puede caracterizar por su capacidad de almacenamiento de energía. Se define la capacidad calorífica, C, de una sustancia como Datos/Observaciones Calor específico Calor específico de algunas sustancias a 25 ℃ y 101 325 Pa de presión atmosférica Datos/Observaciones Ejemplo 1. Cuál es la cantidad de calor que se necesita para cambiar 1 kg de agua de 300 K a 350 K. cagua = 1 cal/g°C. Datos/Observaciones Ejemplo 2. Se está diseñando un elemento de circuito electrónico hecho de 30 mg de Si. La corriente que pasa por este circuito agrega 0,001 J. Cuál es el cambio de temperatura en este elemento de circuito. Datos/Observaciones Cambio de fase Dar o quitar calor a un material produce variación en la temperatura. Pero, además de esto también puede ocurrir cambio de fase. Por ejemplo cuando el agua llega a 100 °C pasa estado gaseoso (vaporización). Para que 1 Kg de agua líquida pase a estado gaseoso se necesita aproximadamente 2,26×106 J de calor. Datos/Observaciones Calor latente Calor Latente, L: Cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para cambiar de fase o estado. Estos cambios se realizan a temperatura constante. El cambio de estado o fase se produce a temperatura constante. 𝑄𝑄 𝐿𝐿 ≡ 𝑚𝑚 𝑐𝑐𝑎𝑎𝑙𝑙 𝐿𝐿 ≡ 𝑔𝑔 0℃ 0℃ Datos/Observaciones Cambio de Fase Calor latente de fusión: Es el calor que hay que agregarle a un cierto material pase de estado sólido a estado líquido. Calor latente de evaporación: Es el calor que hay que agregarle a un cierto material pase de estado líquido a estado gaseoso. Cuando se quiere realizar el proceso inverso, es decir, la solidificación o la condensación, hay que quitar calor, por lo que Datos/Observaciones Ejemplo 3. Calcule la cantidad de calor que se necesita para que 1,0 kg de agua solidifique, y para que se evapore. Lfagua = 79,7 cal/g y Lvagua = 539,4cal/g. Datos/Observaciones Ejemplo 4. En un recipiente de capacidad calorífica C = 20 cal/°C se tiene 20 g de hielo y 100 g de agua líquida en equilibrio térmico. Si se vierte en el recipiente agua a 80°C y la temperatura de equilibrio fue de 10 °C ¿qué cantidad de agua se introdujo en el recipiente? Datos/Observaciones Mecanismos de transferencia de calor Conductores y aislante: Hay materiales que son buenos y otros que son malos conductores de calor. Por ejemplo, en la cocina, se usan generalmente ollas hechas de metal, ya que los metales son buenos conductores de calor. En cambio en un refrigerador se usan materiales que eviten que el interior de la refrigeradora intercambie calor con el exterior. En ambos casos estamos preocupados por un fenómeno físico que estudiaremos en esta sección, la transferencia de calor. Existen tres tipos de forma para transferir calor: conducción, convección y radiación. A continuación detallaremos estas formas de transferencia de calor, haciendo más énfasis en la conducción. Datos/Observaciones Transferencia de calor: Conducción Corriente de calor por una barra: Consideremos una barra de sección transversal A y longitud L, que tiene sus extremos a una temperatura Tf y Tc. No hay flujo de calor por la superficie lateral de la barra. El flujo de calor será CT 𝑇𝑇𝑓𝑓 Corriente de calor por un cilindro: Consideremos un cilindro hueco de radio interno r1 y radio externo r2 y longitud L. Hay una diferencia de temperatura entre la parte interna y la externa. El flujo de calor será H HCT TH 1r r2 Datos/Observaciones Ejemplo 5 Dentro de un cilindro de cerámica de 0,20 m de diámetro y 1,0 m de largo hay un alambre de cobre de 0,0001 m de diámetro que se encuentra a 1 500 °C. El lado exterior del cilindro cerámico se encuentra a 20 °C. Si el flujo de calor es de 30cal/s, calcule la conductividad térmica de la cerámica. Transferencia de calor: Conducción Conductividades térmicas Sustancia Metales (a 2570) Conductividad térmica (Wim 1 Dn Aluminio 238 Cabre 07 Oro 314 Hierro 79.5 Plomo 24.7 Plata AZ No metales (valores aproximados) Asbestos 0.08 Concreto 0. Diarnante 2300 Widrio 08 Hielo 2 Caucho oz Agua 06 Madera 0.08 Gases (a 00) Aire 00234 Helio 013% Hidrógeno OLIFZ Nitrógeno 00734 nm Universidad Tecnológica del Perú Datos/Observaciones Transferencia de calor: Radiación La corriente de calor por radiación que emite un objeto que tiene una temperatura T y un área superficial A se puede calcular como: 𝐻𝐻 =𝜎𝜎𝐴𝐴𝑇𝑇4 donde σ es la constante de Boltzman 𝜎𝜎 = 5,67 × 10−8 𝑊𝑊 𝑚𝑚2𝐾𝐾4 Ejemplo: Nuestro sol emite una corriente de calor por área de 650 000W/m2. A qué temperatura está el sol en grados centígrados. Datos/Observaciones Transferencia de calor: Radiación La potencia radiativa de un cuerpo de área A y temperatura T, esta dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann, T A Q Datos/Observaciones Ejemplo 6 El muro de ladrillos (k = 0,80 W/m.ºC) de un edificio tiene dimensiones de 4,0 m x 10,0 m y su espesor es de 15 cm. ¿Cuánto calor (en joules) fluye a través del muro en un periodo de 12 h cuando las temperaturas promedio interior y exterior son, respectivamente, 20 °C y 5°C? Universidad E | | Tecnológica del Perú  Universidad E ¡ ” Tecnológica del Perú”