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I.E. CRNL.BOLOGNESI TACNA FISICA 5TO. AÑO

35

LIC. JOSE A. GARCIA ALE

TEMPERATURA, DILATACION, CALOR Y TERMODINAMICA 1.

TEMPERATURA 1.1 Concepto .- Es un magnitud física escalar; mide el grado de vibración de

3.

las moléculas en un cuerpo.. La temperatura en un gas mide la energía cinética promedio molecular. En el Sistema Internacional de Unidades la temperatura se mide en Kelvin.

1.2 Escalas Termométricas.Escalas Absolutas: Tienen temperaturas positivas, solo positivas. De donde se deduce que la menor temperatura en estas escalas es el cero; las escalas absolutas son las escalas Kelvin (K) y Rankine (R). Escalas Relativas: Pueden tener temperaturas positivas o negativas; las escalas relativas son las escalas Celsius ( °C ) y Fahrenheit ( °F ). ) 100

°C

212

0

32

-273

-460

Fórmula:

°F

373

K

672

273

492

0

0

R

Punto de ebullición normal del agua

Punto de fusión normal del agua

Cero absoluto

K  273 C F  32 R  492    5 5 9 9

Formulas adicionales deducidas de las anteriores: K = C +273 R = F + 460 Formulas para variaciones de temperatura. C =  F = K= R 5 9 5 9 1.3 Cero absoluto.- Es la temperatura en la cual las moléculas de un cuerpo dejan de moverse 2. DILATACION 2.1 Concepto.- Es el aumento de las dimensiones que experimenta un cuerpo al incrementarse su temperatura.. El fenómeno contrario se denomina contracción. 2.2 Clases de dilatación.- Existen tres clases A) Dilatación lineal. Es el aumento en longitud que experimentan los cuerpos al incrementar su temperatura

B)

Vemos que : LF=Lo+ L Fórmulas: L= Lo  tg Lf= Lo ( 1+  t ) Donde: LF y Lo = Longitud final e inicial (m, cm, mm) L = Aumento de longitud (m, cm, mm) =Coeficiente de dilatación lineal es ºC – 1 t=tf – to = Incremento de temperatura (ºC) Dilatación superficial : Es el aumento en superficie que experimentan los cuerpos al incrementar su temperatura Q (calor)

So

S

So SF

Vemos que: SF=So+ S Fórmulas: S= So  t Sf= So ( 1+  t ) Donde: SF y So= Superficie final e inicial (m2, cm 2, mm 2) S = Aumento de Superficie (m2, cm2, mm2) =Coeficiente de dilatación superficial (ºC – 1),  = 2  C) Dilatación cúbica: Es el aumento en volumen que experimentan los cuerpos al incrementar su temperatura.

Q  Ce m t

Donde: Donde: Ce: Calor específico (cal/ / g ºC, J / Kg ºC, ) Q: Cantidad de calor (cal, Joule), m: masa del cuerpo (g, Kg) t: Variación de temperatura (t f - t o ) (º C) B) Capacidad calorífica (Cc) Es la cantidad de calor que absorbe cierta cantidad de masa para elevar su temperatura 1ºC Q Cc  Cc  mCe Fórmula:  t Donde: Cc: Capacidad calorífica (cal / ºC, J / º/C) C) Equilibrio térmico: Es cuando dos cuerpos de diferentes temperaturas al entrar al contacto alcanzan igual temperatura. D) Principio fundamental de la calorimetría: El calor ganado por los cuerpos fríos es igual al calor perdido por los cuerpos calientes: Cuerpo frío Cuerpo caliente Q=O Q1+Q2=0 Q ganado = Q perdido 4. CAMBIO DE FASE 4.1 Concepto.- al fenómeno que consiste en el paso de un estado cualquiera a otro, por adición o sustracción de calor Los cambios de fase se ven en el siguiente gráfico:

4.2 Calor latente (L).- Es la cantidad de calor que se le debe

Q (c alor)

Vo

A)

VF

Vemos que: VF=Vo+ V Fórmulas: V= Vo  t Vf= Vo ( 1+  t ) Donde: VF y Vo= Volumen final e inicial (m2, cm2, mm2) V = Aumento de volumen (m2, cm2, mm2) Y=Coeficiente de dilatación cubica (ºC – 1) , Y= 3  2.3 Variación de la densidad () con la temperatura (T).- Todos los cuerpos varían su densidad al variar su temperatura :Formula: o F  1 Y T

CALOR 3.1 Concepto – Es una magnitud escalar que mide la energía transferida de un cuerpo a otro, debido a la diferencia de temperaturas entre ambos. El calor se transfiere de mayor a menor temperatura 3.2 Propagación del calor: El calor se propaga de tres formas: A) Por conducción: Se produce en sólidos. El calor se transmite por conducción a lo largo del sólido, debido a la agitación de los átomos y las moléculas del sólido. Los mejores conductores son los metales y los peores son los aislantes (madera, aire lana, etc.) B) Por convección.- Sólo se efectúa en los fluidos (líquidos y/o gases); consiste en la transferencia de calor de un lugar a otro por transporte de masa caliente.. Este efecto se aprecia al hervir el agua y también en el sistema de calefacción C) Por radiación.- Es la que se produce a distancia sin que se utilice el medio interpuesto. El calor del sol llega a tierra por radiación esta transmisión se realiza mediante ondas electromagnéticas. Se comprueba que el mejor absorbentes del calor es el color negro y el mejor reflector es el color blanco 3.3 UNIDADES DEL CALOR A) Caloría(cal): es la cantidad de calor que requiere 1g de agua para elevar su temperatura en 1ºC B) joule(J): Es la unidad dell calor en el Sistema Internacional. Equivalencias: 1 Kcal = 1000cal ; 1 J = 0,24 cal 3.4 Definiciones calorimétricas A) Calor específico (Ce).- Es la cantidad de calor que gana o que pierde una sustancia especifica, al subir o al bajar 1ºC Q Formula Ce  Fórmula: del calor sensible m t

B)

adicionar o quitar a la unidad de masa de una sustancia, para cambiar su estado, Los tipos son:

Calor de Fusión (Lf): Es la cantidad de calor que necesita un gramo de solido para transformar íntegramente a liquido una vez alcanzada su temperatura de fusión. Fórmula: Q = m Lf Lf:: calor de fusión(cal /g), Q: Cantidad de calor (cal), m: masa del cuerpo (g), * LF hielo = 80 cal/g Calor de vaporización (Lv): Es la cantidad de calor que necesita un gramo de un líquido para transformar íntegramente a vapor una vez alcanzada su temperatura de vaporización (ebullicon) Fórmula: Q = m Lv Lv: calor de vaporización(cal/g), Lv vapor de agua = 540 cal/g

5. EFECTO JOULE: El calor por ser una forma de energía esta puede convertirse en energía mecánica Fórmula: Q (cal) = E mec.(J) m L + Ce m T = Ek +Ep + Epe además 1 J = 0,24

1 6.

cal; cal = 4,18 J = 4,2 J

EFECTOS DEL CALOR Son tres: Dilatación, Variación de la temperatura y Cambio de estado físico

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PROBLEMAS PROPUESTOS DE TEMPERATURA, DILATACION Y CALOR

1. En las siguientes afirmaciones: I. La unidad del calor en el Sistema Internacional es la caloría II. Un cuerpo se calienta en 36°ºF entonces su variación es 20 k III. En un cambio de fase la temperatura permanece constante IV. Los metales sólidos se calientan principalmente por conducción V. La densidad varia inversamente proporcional a la temperatura Son ciertas: A) I y III B) I y II C) Sólo II D) Sólo III E) II y III 2. A qué temperatura las lecturas de un termómetro Celsius y Fahrenheit son iguales A) –300C B)–350F C) –40 0F D) 40 0F E) 300C 3. Se construye una riel de tren durante el invierno (T = – 5°C) y se sabe que cada tramo mide 4m. ¿Qué espacio debemos dejar entre cada tramo, para que en verano cuando la temperatura llegue a 35°C no haya problemas con la dilatación?. =10 – 3 °C – 1 . A) 10 cm B) 12 cm C) 14 cm D) 16 cm E) N.A. 4. Un cilindro de cobre (=1,7x10 –5ºC–1) esta a 20ºC ¿A qué temperatura aumentará su volumen en un 0,25%? A)49ºC B)55ºC C)69ºC D)78ºC E)83ºC 5. Un cuerpo de 200g eleva su temperatura de 10ºC a 20ºC.Que cantidad de calor ganará durante el proceso? (Ce =0,6 cal/ g ºC) A)120 cal B)1200 cal C)12000 cal D) 120 kcal E) N.A 6. En un calorímetro cuya capacidad es 40 cal/ºC y se encuentra a 20ºC se colocan 80g de agua a 50ºC y una cantidad”x” de hielo a 0ºC. Calcular “x” si la temperatura de equilibrio es de 10ºC (en g) A)40 B)50 C)60 D)80 E)100 7. Se tiene un trozo de hielo de 10g a –20ºC ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrarle para convertirlo en vapor a 150ºC. Ce hielo=0,5 cal/gºC; Lf=80cal/g; Lv=540 cal/g ; Ce vapor =0,5 cal/gºC A)5550cal B)6550 cal C)7550cal D)8550 cal E)N.A .

PROBLEMAS PROPUESTOS DE TEMPERATURA, DILATACION Y CALOR

1. En las siguientes afirmaciones: I. La unidad del calor en el Sistema Internacional es la caloría II. Un cuerpo se calienta en 36°ºF entonces su variación es 20 k III. En un cambio de fase la temperatura permanece constante IV. Los metales sólidos se calientan principalmente por conducción V. La densidad varia inversamente proporcional a la temperatura Son ciertas: A) I y III B) I y II C) Sólo II D) Sólo III E) II y III 2. A qué temperatura las lecturas de un termómetro Celsius y Fahrenheit son iguales A) –300C B)–350F C) –40 0F D) 40 0F E) 300C

3. Se construye una riel de tren durante el invierno (T = – 5°C) y se sabe que cada tramo mide 4m. ¿Qué espacio debemos dejar entre cada tramo, para que en verano cuando la temperatura llegue a 35°C no haya problemas con la dilatación?. =10 – 3 °C – 1 . A) 10 cm B) 12 cm C) 14 cm D) 16 cm E) N.A. 4. Un cilindro de cobre (=1,7x10 –5ºC–1) esta a 20ºC ¿A qué temperatura aumentará su volumen en un 0,25%? A)49ºC B)55ºC C)69ºC D)78ºC E)83ºC 5. Un cuerpo de 200g eleva su temperatura de 10ºC a 20ºC.Que cantidad de calor ganará durante el proceso? (Ce =0,6 cal/ g ºC) A)120 cal B)1200 cal C)12000 cal D) 120 kcal E) N.A 6. En un calorímetro cuya capacidad es 40 cal/ºC y se encuentra a 20ºC se colocan 80g de agua a 50ºC y una cantidad”x” de hielo a 0ºC. Calcular “x” si la temperatura de equilibrio es de 10ºC (en g) A)40 B)50 C)60 D)80 E)100 7. Se tiene un trozo de hielo de 10g a –20ºC ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrarle para convertirlo en vapor a 150ºC. Ce hielo=0,5 cal/gºC; Lf=80cal/g; Lv=540 cal/g ; Ce vapor =0,5 cal/gºC A)5550cal B)6550 cal C)7550cal D)8550 cal E)N.A .

PROBLEMAS PROPUESTOS DE TEMPERATURA, DILATACION Y CALOR

1. En las siguientes afirmaciones: I. La unidad del calor en el Sistema Internacional es la caloría II. Un cuerpo se calienta en 36°ºF entonces su variación es 20 k III. En un cambio de fase la temperatura permanece constante IV. Los metales sólidos se calientan principalmente por conducción V. La densidad varia inversamente proporcional a la temperatura Son ciertas: A) I y III B) I y II C) Sólo II D) Sólo III E) II y III 2. A qué temperatura las lecturas de un termómetro Celsius y Fahrenheit son iguales A) –300C B)–350F C) –40 0F D) 40 0F E) 300C 3. Se construye una riel de tren durante el invierno (T = – 5°C) y se sabe que cada tramo mide 4m. ¿Qué espacio debemos dejar entre cada tramo, para que en verano cuando la temperatura llegue a 35°C no haya problemas con la dilatación?. =10 – 3 °C – 1 . A) 10 cm B) 12 cm C) 14 cm D) 16 cm E) N.A. 4. Un cilindro de cobre (=1,7x10 –5ºC–1) esta a 20ºC ¿A qué temperatura aumentará su volumen en un 0,25%? A)49ºC B)55ºC C)69ºC D)78ºC E)83ºC 5. Un cuerpo de 200g eleva su temperatura de 10ºC a 20ºC.Que cantidad de calor ganará durante el proceso? (Ce =0,6 cal/ g ºC) A)120 cal B)1200 cal C)12000 cal D) 120 kcal E) N.A 6. En un calorímetro cuya capacidad es 40 cal/ºC y se encuentra a 20ºC se colocan 80g de agua a 50ºC y una cantidad”x” de hielo a 0ºC. Calcular “x” si la temperatura de equilibrio es de 10ºC (en g) A)40 B)50 C)60 D)80 E)100 7. Se tiene un trozo de hielo de 10g a –20ºC ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrarle para convertirlo en vapor a 150ºC. Ce hielo=0,5

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cal/gºC; Lf=80cal/g; =0,5 cal/gºC A)5550cal B)6550 cal D)8550 cal E)N.A .

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Lv=540 cal/g ; Ce

vapor

C)7550cal

PROBLEMAS PROPUESTOS DE TEMPERATURA, DILATACION Y CALOR

1. En las siguientes afirmaciones: I. La unidad del calor en el Sistema Internacional es la caloría II. Un cuerpo se calienta en 36°ºF entonces su variación es 20 k III. En un cambio de fase la temperatura permanece constante IV. Los metales sólidos se calientan principalmente por conducción V. La densidad varia inversamente proporcional a la temperatura Son ciertas: A) I y III B) I y II C) Sólo II D) Sólo III E) II y III 2. A qué temperatura las lecturas de un termómetro Celsius y Fahrenheit son iguales A) –300C B)–350F C) –40 0F D) 40 0F E) 300C 3. Se construye una riel de tren durante el invierno (T = – 5°C) y se sabe que cada tramo mide 4m. ¿Qué espacio debemos dejar entre cada tramo, para que en verano cuando la temperatura llegue a 35°C no haya problemas con la dilatación?. =10 – 3 °C – 1 . A) 10 cm B) 12 cm C) 14 cm D) 16 cm E) N.A. 4. Un cilindro de cobre (=1,7x10 –5ºC–1) esta a 20ºC ¿A qué temperatura aumentará su volumen en un 0,25%? A)49ºC B)55ºC C)69ºC D)78ºC E)83ºC 5. Un cuerpo de 200g eleva su temperatura de 10ºC a 20ºC.Que cantidad de calor ganará durante el proceso? (Ce =0,6 cal/ g ºC) A)120 cal B)1200 cal C)12000 cal D) 120 kcal E) N.A 6. En un calorímetro cuya capacidad es 40 cal/ºC y se encuentra a 20ºC se colocan 80g de agua a 50ºC y una cantidad”x” de hielo a 0ºC. Calcular “x” si la temperatura de equilibrio es de 10ºC (en g) A)40 B)50 C)60 D)80 E)100 7. Se tiene un trozo de hielo de 10g a –20ºC ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrarle para convertirlo en vapor a 150ºC. Ce hielo=0,5 cal/gºC; Lf=80cal/g; Lv=540 cal/g ; Ce vapor =0,5 cal/gºC A)5550cal B)6550 cal C)7550cal D)8550 cal E)N.A . .

LIC. JOSE A. GARCIA ALE