Calor y temperatura
El calor es la forma de energía que se transfiere entre dos sustancias a diferentes temperaturas. La dirección del flujo de energía es de la sustancia de mayor temperatura a la sustancia de menor temperatura. El calor se mide en unidades de energía, generalmente calorías o julios. El calor y la temperatura a menudo se usan indistintamente, pero esto es incorrecto. Temperaturaes la medida del calor o frialdad de la materia. Dicho de otra manera, la temperatura es la energía cinética promedio por molécula de una sustancia. La temperatura se mide en grados en la escala Celsius (C) o Fahrenheit (F), o en kelvins (K). En términos más simples, la temperatura es qué tan caliente o frío está un objeto, mientras que el calor es la energía que fluye de un objeto más caliente a uno más frío. Por ejemplo, la temperatura de una taza de café puede ser alta si la rodea con la mano. Hace calor porque el calor del café se transfiere a la taza.
Expansión térmica
Expansión térmicaes un fenómeno que tiene lugar en sólidos, líquidos y gases. Casi todas las sustancias se expanden cuando aumentan sus temperaturas, a menos que estén restringidas de alguna manera. Los ejemplos incluyen el calentamiento del aire en un globo de aire caliente, que hace que el globo se expanda y se eleve, y el mercurio en un termómetro, que aumenta en respuesta al calor. Las varillas de metal también se utilizan en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, las varillas o tiras de metal que se utilizan como juntas de expansión en los extremos de las secciones del puente explican la expansión de los puentes de acero en climas más cálidos. La cantidad de expansión que ocurre y cómo la predecimos depende de la sustancia. Por ejemplo, una barra de metal sólido generalmente se expande linealmente y aumenta de longitud, mientras que los líquidos y gases experimentan un aumento de volumen. En los tres casos,
Termodinámica
La termodinámica es el estudio del calor y su transformación en energía mecánica. Hay cuatro leyes de la termodinámica, pero aquí solo nos concentramos en las dos leyes principales: la primera ley y la segunda ley.
La primera ley dice que el cambio en la energía interna de una sustancia es igual al trabajo realizado en ella más el calor que se le transfiere. Matemáticamente, usamos la ecuación:
delta U = trabajo + Q
La energía interna es la suma de las energías cinética y potencial de todos los átomos y moléculas de una sustancia. El significado de la primera ley de la termodinámica es que hay dos formas de aumentar la temperatura de una sustancia:
1) Al exponerlo a otra sustancia que tenga una temperatura más alta y
2) Al realizar ciertos tipos de trabajo sobre la sustancia
La fricción y compresión de gases son dos ejemplos de formas de aumentar la temperatura mediante el método de trabajo. Los pistones de los motores de combustión interna aprovechan este concepto. El aire es comprimido en un cilindro por el pistón, lo que eleva la temperatura a casi veintisiete veces la temperatura del estado sin comprimir.
La segunda ley dice que el calor no se puede transferir de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente sin que un agente externo realice el trabajo. Dicho de otra manera, no se puede construir ningún dispositivo que extraiga repetidamente calor de una fuente y entregue energía mecánica sin expulsar algo de calor a un depósito de menor temperatura. El ejemplo perfecto es el motor térmico, que se analiza más adelante en esta lección.
Transferencia de calor
La transferencia de calor se produce por tres mecanismos: conducción , convección y radiación .
- La conducción es la transferencia de calor entre átomos y moléculas en contacto directo.
- La convección es la transferencia de calor por el movimiento de la propia sustancia calentada, como por las corrientes en un fluido.
- La radiación es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas.
Un ejemplo de conducción es calentar una olla de agua en una estufa eléctrica. El fondo de la sartén está en contacto con la parte superior de la estufa caliente. El calor fluye desde el quemador hasta el fondo de la sartén e incluso sube por los lados y posiblemente hasta el mango. La conducción también se produce entre la olla y el agua, que también están en contacto entre sí. Un ejemplo de convección es un sistema de calefacción de aire forzado. Se sopla aire caliente y se mezcla con aire más frío para provocar el calentamiento del aire más frío por el aire más caliente. Un ejemplo de transferencia de calor por radiación es el sol o un fuego caliente. El sol irradia ondas electromagnéticas que calientan la tierra al igual que un fuego que calienta tus manos o tu cuerpo cuando te acercas. También se utilizan combinaciones de estos mecanismos. Un ejemplo es la calefacción de una casa que utiliza los tres principios. El uso de aislamiento en la casa en realidad reduce la conducción de calor de las superficies calientes dentro de la casa a las superficies más frías del exterior. Un sistema de aire forzado además de permitir la entrada de luz solar a la casa también se puede utilizar en el interior.
Capacidad calorífica específica
La capacidad calorífica específica , o simplemente calor específico, es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una unidad de masa (por ejemplo, un gramo, un kilogramo, etc.) de una sustancia en 1 grado Celsius. El calor específico del agua pura es de 4180 julios por kilogramo-grado Celsius, lo que significa que se requieren 4180 julios de energía para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua pura en 1 grado Celsius. Los usos prácticos del calor específico en sí son escasos, por lo que se suele utilizar para calcular otras cantidades. Una comparación de diferentes calores específicos es que la energía necesaria para calentar cinco tazas de agua a ebullición es aproximadamente la misma que la energía necesaria para acelerar un automóvil pequeño a 60 millas por hora.
Motores de calor
Una máquina de calores un dispositivo que transforma el calor en energía mecánica. Absorbe calor de una fuente caliente como la quema de combustible, convierte parte de esta energía en energía mecánica utilizable y envía la energía restante como calor a algún depósito de temperatura más baja. La máquina térmica es la implementación de la segunda ley de la termodinámica. Los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural se utilizan generalmente como entrada de energía para los motores térmicos. Los motores de gasolina, diésel y a reacción, así como las centrales eléctricas de carbón, son ejemplos de motores térmicos. De acuerdo con la segunda ley, no toda la entrada de energía en un motor térmico se convierte en trabajo mecánico utilizable. Dicho de otra manera, ningún dispositivo puede convertir el 100% del calor de entrada en energía mecánica. Por lo tanto, un motor térmico tiene una cierta eficiencia, que describe la cantidad de calor que puede convertir en una producción utilizable.
eficiencia = (salida de energía / entrada de energía) x 100
Por ejemplo, si un dispositivo tiene una eficiencia del 50%, convierte la mitad de la energía de entrada en energía mecánica y la otra mitad se desperdicia. La eficiencia máxima de un motor térmico, que se denomina eficiencia de Carnot en honor al ingeniero francés Sadi Carnot, depende de las temperaturas de la fuente de calor y del depósito de menor temperatura.
Resumen de la lección
El calor y la temperatura a menudo se usan indistintamente, pero en realidad son dos cosas diferentes. El calor es la energía que se transfiere de dos sustancias a diferentes temperaturas y fluye de caliente a frío. La temperatura es una medida de cuán caliente o fría está una sustancia. Esta lección también exploró varias aplicaciones prácticas de calor, incluyendo la expansión térmica , la primera y segunda leyes de la termodinámica , transferencia de calor , calor específico , y motores térmicos .
Vocabulario y definiciones
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- Calor : una forma de energía que se transfiere entre dos sustancias a diferentes temperaturas.
- Temperatura : la medida del calor o frialdad de la materia.
- Expansión térmica : fenómeno que tiene lugar en sólidos, líquidos y gases; Implica la expansión de sustancias cuando sus temperaturas aumentan.
- Termodinámica : el estudio del calor y su transformación en energía mecánica
- Primera ley de la termodinámica : el cambio en la energía interna de una sustancia es igual al trabajo realizado en ella más el calor que se le transfiere.
- Segunda ley de la termodinámica : el calor no se puede transferir de un cuerpo más frío a uno más caliente sin la ayuda de un agente externo
- Conducción : transferencia de calor entre átomos y moléculas en contacto directo.
- Convección : transferencia de calor por movimiento de la propia sustancia calentada, como por corrientes en un fluido.
- Radiación : transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas.
- Capacidad calorífica específica : la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa.
- Motor térmico : un dispositivo que transforma el calor en energía mecánica.
Los resultados del aprendizaje
El objetivo de esta lección es ayudarlo a prepararse para:
- Haga la distinción entre calor y temperatura
- Discutir el proceso de expansión térmica.
- Enuncie dos leyes de la termodinámica.
- Indique los tres mecanismos por los que se produce la transferencia de calor.
- Tenga en cuenta las funciones de calor específico y motores térmicos
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