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Liceo Bicentenario de Viña del Mar Termodinámica 2020 Profesora
Paula L. Durán Ávila ( [email protected] )
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Guía 3: Transferencia de Calor
Nombre:
Fecha:
Curso: 4to año medio B
Objetivos: Comprender, aplicar y comparar los conceptos
asociados con la temperatura y el calor relacionándolos con la
energía interna de los cuerpos y las formas de medición. Contenido
PSU: ENERGÍA
□ conceptos, teorías, leyes y marcos conceptuales referentes a
calor y temperatura: o conducción, convección y radiación térmica,
en términos cualitativos.
Instrucciones La siguiente guía tiene como objetivo revisar los
conocimientos adquiridos en 2do año medio con
respecto a la Temperatura y el Calor y así repasar una parte de
los contenidos de la PSU.
Debes ir leyendo cada uno de los párrafos e ir contestando las
preguntas que van a apareciendo en la guía. Puedes contestar en la
misma guía o en un documento aparte.
Este trabajo, NO posee nota, solo llevará una categorización de:
Logrado (L), Medianamente Logrado (ML) y No Logrado (NL). Lo que a
futuro se puede transformar en una bonificación a alguna
evaluación.
Debes enviármelo para poder corregirlo y poder retroalimentar tu
aprendizaje al correo [email protected]
Tendrás 3 semanas de plazo para entregarlo, pero lo más
importante es que lo hagas a tu ritmo. Cuando lo termines me lo
envías, incluso si se haya pasado el plazo.
Extraído de: Física 2° Medio (2010), editorial SM, Santiago de
Chile El equivalente mecánico del calor Identificación de marcos
conceptuales, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias
y conclusiones.
En el siglo XIX, James Prescott Joule tuvo la sospecha de que el
calor era una forma de energía como cualquier otra y planteó la
hipótesis de que el calor tendría su equivalente con la energía
mecánica, es decir, que existiría una equivalencia entre el calor y
la energía mecánica. Pero comprobar esta hipótesis no era un
trabajo fácil: en primer lugar, Joule debió probar que la energía
mecánica podía transformarse en calor y viceversa y, en segundo
lugar, debía encontrar la equivalencia matemática entre la caloría
y unidades de energía mecánica para probar definitivamente que el
calor era otra forma de energía. Para saber si su hipótesis era
válida, Joule tuvo que idear un experimento, que publicó en 1845.
Esto era todo un reto en ese tiempo, pues debía cumplir con dos
requisitos: Transformar la energía calórica en energía mecánica (o
al revés). Además, debía permitir medir con precisión las
cantidades de calor y de energía mecánica involucradas en el
problema.
El primer requisito era factible de lograr, es decir, era
posible transformar la energía mecánica en calor; un ejemplo de
ello era simplemente frotar las manos. Sin embargo, el segundo
requisito presentaba una tarea mucho más difícil. Finalmente, Joule
ideó un diseño experimental como el que se muestra en la
imagen.
Temperatura: medición de la agitación de las partículas de una
sustancia o cuerpo.
Calor: energía en transito entre cuerpos a diferentes
temperaturas.
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El experimento consistía en atar una masa a una cuerda, de forma
tal que al subir o bajar las masas, las paletas agitaran el agua
dentro de un recipiente aislado. Así, consideró que la energía se
conservaba y la energía cinética de la agitación del agua se
transformaba en calor y, por lo tanto, se observaba un aumento en
la temperatura del agua del recipiente. Para realizar el
experimento, Joule debía registrar los siguientes datos:
La masa del cuerpo que colgaba. La distancia que recorría el
cuerpo al caer. La temperatura inicial del agua. La temperatura
final del agua. La masa de agua contenida en el recipiente.
Cuando las masas laterales caen libremente, la energía se emplea
en mover una serie de paletas que hay en el interior del
recipiente. Así, se genera un movimiento del agua que aumenta la
temperatura registrada por un termómetro. Con estos datos, se
podría calcular la energía mecánica inicial y final del cuerpo y,
con su diferencia, conjeturar cuánta energía mecánica se había
convertido en calor. Además, con los datos de temperatura y masa
del agua, se podría calcular la cantidad de calorías que se
utilizaron para variar su temperatura. A pesar de que no se conocen
los datos exactos del resultado del experimento de Joule, se pueden
emular fácilmente. Imagina que al desarrollar el experimento de
Joule has logrado registrar los siguientes resultados en el
experimento:
Energía mecánica inicial del cuerpo: 500 J Energía mecánica
final del cuerpo: 82 J Masa de agua contenida en el recipiente: 20
g Temperatura inicial del recipiente: 20°C Temperatura final del
recipiente: 25°C
Para utilizar los datos, lo primero que se debe hacer es
calcular cuántas calorías se necesitaron para provocar la variación
de temperatura del agua. Así, la variación de temperatura del agua
fue de:
ΔT = 25°C – 20°C = 5°C Si se necesita 1 caloría para aumentar en
1 grado centígrado la temperatura de un gramo de agua, entonces,
¿cuántas calorías se necesitan para aumentar en 5°C la temperatura
de 20 g de agua? Si se necesitan 5 calorías para aumentar en 5°C la
temperatura de 1g de agua, entonces para aumentar en 5°C la
temperatura de 20 g de agua, se necesitan:
5 cal/g x 20 g = 100 cal Por lo tanto, se utilizan 100 cal para
aumentar la temperatura del agua. Además, se sabe que la variación
de energía mecánica del cuerpo fue de:
500 J – 82 J = 418 J Y, de acuerdo con la hipótesis de Joule, la
variación de energía mecánica del cuerpo debe ser igual a la
cantidad de calor utilizada en aumentar la temperatura del agua.
Por lo tanto:
100 cal = 418 J ⇔ 1 cal = 4,18 J En consecuencia, 4,18 J
equivalen a 1 caloría, y con esto se ha encontrado el equivalente
mecánico del calor. Actividad 1. Responda las siguientes preguntas
a partir de la lectura anterior.
1. ¿Era correcta la hipótesis de Joule?
2. ¿Qué importancia tiene el diseño experimental de Joule para
encontrar el equivalente mecánico del
calor?
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3. ¿Qué conclusiones puedes extraer de los resultados del
experimento y su interpretación?
4. ¿A cuántas calorías equivalen 0 J?
5. ¿A cuántos joules equivalen 0 cal?
6. Así como se puede medir la energía térmica en joules, ¿se
puede medir la energía mecánica en calorías?
7. ¿Cuántas calorías se necesitan para aumentar en 5 ºC la
temperatura de g de agua?
8. Un refrigerador es un sistema que se mantiene a una
temperatura baja gracias a un motor que usa un
condensador cuya función es transformar cierto gas en líquido.
Cuando se introducen alimentos o bebidas al refrigerador, pierden
calor al cederlo; el líquido absorbe ese calor y se evapora. Supón
que colocas una sandía de 5 kg a temperatura ambiente de 20 ºC, y
que quieres enfriarla hasta los 5 ºC. ¿Cuánta energía debe
extraerse del refrigerador para lograrlo, si consideras que la
sandía contiene 92% de agua?
Transferencia de calor por conducción El calor es energía
térmica en tránsito, pero ¿a través de qué métodos puede
transportarse de un cuerpo a otro? Existen tres formas de
intercambio de calor: la conducción, la radiación y la convección.
La conducción se produce cuando dos cuerpos de temperaturas
diferentes entran en contacto. En este caso, el cuerpo de mayor
temperatura cederá calor al cuerpo de menor temperatura. Cuando dos
cuerpos entran en contacto, las partículas de uno y otro colisionan
entre sí a través de la superficie que los une, pero sin
desplazamiento de materia. Las partículas del cuerpo de mayor
temperatura colisionan entre ellas y con las paredes del otro
cuerpo, y así aumentan las velocidades de las partículas de su
símil, lo que implica un aumento de la temperatura en el cuerpo que
estaba más frío. Al chocar las partículas de un cuerpo con otro,
las energías cinéticas promedio se equiparán. Este proceso continúa
hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura. De este modo,
se transmite el aumento de temperatura a todo el cuerpo, aunque esa
transmisión emplea tiempo. Por ejemplo, si se calienta al fuego el
extremo de una barra metálica, se puede sujetar con la mano el otro
extremo durante un tiempo, pero después todo el cuerpo habrá
aumentado su temperatura, gracias al movimiento de las partículas.
Conductores y aislantes térmicos El proceso de conducción de calor,
además de darse entre dos cuerpos diferentes, puede presentarse
dentro de un mismo cuerpo. Los cuerpos que distribuyen el calor en
toda su extensión son llamados conductores térmicos (como los
metales); en cambio, otros cuerpos que no permiten una buena
conducción del calor son llamados aislantes térmicos (como la
madera).
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Actividad 2. Responda las siguientes preguntas a partir de la
lectura anterior.
1. Si un cuerpo A con una temperatura de 60 ºC se pone en
contacto con otro cuerpo B a 40 ºC, ¿cuál de los dos cuerpos cede
calor y cuál lo recibe? Explica.
2. Explica con tus palabras en qué consiste la transferencia de
calor por contacto.
3. Menciona tres ejemplos de la vida diaria en donde esté
presente la transferencia de calor por contacto.
4. Explica por qué los aislantes térmicos sirven para mantener
regulada la temperatura de una habitación.
Transferencia de calor por radiación La radiación es otro método
de transferencia de calor. Cuando un cuerpo está a una temperatura
mayor que la del ambiente en el cual se encuentra, emite ondas
electromagnéticas en forma de fotones térmicos. Esto quiere decir
que la transferencia de calor puede ocurrir en ausencia de un medio
material. Todas las ondas electromagnéticas son responsables de la
transferencia de energía por radiación. Por lo tanto, la radiación
es la propagación de energía por medio de ondas electromagnéticas
que pueden impactar un cuerpo más frío, con lo que aumentan su
temperatura. La eficiencia del proceso de radiación cambia de
cuerpo en cuerpo. Por ejemplo, los cuerpos de color negro emiten y
absorben la radiación de forma más eficiente que los blancos; por
esto, cuando usamos ropa negra la sensación térmica del calor es
mayor que cuando usamos ropa clara. La radiación es una de las
formas más comunes de transferencia de calor. Tiene una incidencia
importante en la pérdida de calor de nuestro cuerpo; también es la
forma en que el Sol calienta a la Tierra y una fogata entregan
calor a su alrededor. La radiación de calor de la Tierra Recién
estudiaste que los cuerpos emiten y absorben calor por radiación,
¿sucederá lo mismo a la Tierra? La Tierra se encuentra más caliente
que el espacio que la rodea. ¿Esto significa que la Tierra emitirá
calor hasta llegar a estar tan fría como el espacio? La respuesta
es no. Además de irradiar calor, la Tierra recibe radiación del
Sol. Por lo tanto, el calor irradiado y el recibido permiten que la
temperatura se mantenga dentro de un rango sustentable para la
vida. Esto es posible porque en la atmósfera suceden procesos
químicos que regulan la temperatura planetaria, y entre otros está
el hecho de que se dificulta la salida de la radiación total
incidente. Actividad 3. Responda las siguientes preguntas a partir
de la lectura anterior.
1. Menciona tres ejemplos de la vida cotidiana donde veas la
transferencia de calor por radiación.
2. De acuerdo a lo que estudiaste en esta página, explica por
qué una habitación fría aumenta de
temperatura rápidamente si hay mucha gente dentro de ella.
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3. Desde la antigüedad, los griegos sabían el beneficio de
pintar las casas de color blanco para que estén más frescas.
Explica las razones físicas de este procedimiento.
4. Explica por qué en los centros urbanos se produce un aumento
de la temperatura.}
Transferencia de calor por convección La convección es una forma
de transferencia de calor que se da principalmente en los fluidos
(líquidos, gases y plasma). Tiene su causa en la dilatación de las
sustancias. Cuando se calienta una olla con agua, la que está en el
fondo (más cerca del fuego) se calienta primero. Al calentarse, se
dilata y disminuye su densidad, razón por la que comienza a subir
hasta la parte más alta de la olla. Al hacer esto, desplaza al agua
fría que está más arriba, la que se ubica en el fondo de la olla
para calentarse nuevamente y repetir este proceso. Esto forma las
llamadas corrientes de convección.
Estas corrientes de convección provocan una circulación de
fluidos calientes y fríos, movimiento que permite equiparar la
temperatura general del fluido. Este método de transferencia de
calor es inmensamente importante en líquidos y gases, pues es el
principal proceso (a diferencia de los cuerpos sólidos) mediante el
cual la temperatura se regula en toda su extensión.
Dicho mismo fenómeno se produce cuando se calienta un ambiente
con una estufa. El aire caliente sube y el frío baja. Por esto,
muchas habitaciones tienen ventanas en la parte más alta de la
muralla: eso permite que el aire caliente que se encuentra en la
parte superior de la habitación salga e ingrese aire frío, con lo
que la temperatura de la habitación disminuye. La convección en la
Tierra Dentro de las capas de la Tierra hay una capa líquida de
gran temperatura, en cuyo interior se generan corrientes de
convección. Estas corrientes provocan que las capas sólidas de la
Tierra que están por encima de dicha capa se muevan, lo que causa
el movimiento de las placas tectónicas que provocan los temblores y
terremotos. Actividad 4. Responda las siguientes preguntas a partir
de la lectura anterior.
1. Una olla con agua se calienta en una cocina. ¿Qué métodos de
transferencia de calor se observan en esta situación? Explica.
2. Menciona un ejemplo en el que en la misma situación se
observen los tres métodos de transferencia de
calor.
3. Explica por qué la convección no puede darse en un cuerpo
sólido.
4. Explica el porqué de las siguientes situaciones:
a. Las personas se abanican para refrescarse. b. El uso del
ventilador en un día caluroso. c. Se sopla una cuchara con sopa
caliente. d. Se revuelve con una cuchara una taza de café
caliente.
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Actividad 5. Marca la alternativa que consideres correcta.
1. ¿Cuál es el concepto que debe ubicarse en el espacio en
blanco en la siguiente afirmación? “_______ de un cuerpo es mayor,
mientras mayor es la velocidad media de las partículas que componen
el cuerpo”.
a. El calor. b. La masa. c. La presión. d. El volumen. e. La
temperatura.
2. 2 ¿En qué se diferencian las escalas térmicas de Celsius y de
Fahrenheit de la escala Kelvin?
a. Son más recientes. b. La escala Kelvin no toma valores
negativos. c. No consideran el movimiento de las partículas. d. Las
escalas de Celsius y de Fahrenheit no toman valores negativos. e.
Celsius y Fahrenheit son medidas de calor, mientras que la de
Kelvin es de temperatura.
3. ¿Cuál es la equivalencia en las escalas Kelvin y de
Fahrenheit, el 0 ºC, respectivamente?
a. 0 K y 0 ºF b. 273 K y 32 ºF c. –273 K y 32 ºF d. 273 K y –32
ºF e. –273 K y –32 ºF
4. ¿A qué se debe que se hable de un volumen aparente en la
dilatación de los líquidos, si la variación
observada, a simple vista, no corresponde a la dilatación real?
a. El líquido se dilata muy poco. b. El líquido se dilata muy
lentamente. c. A que es difícil medir el volumen de un líquido. d.
El recipiente que contiene el líquido también se dilata. e. El
líquido puede dilatarse mucho y rebalsar el recipiente que lo
contiene.
5. ¿Cuál(es) de las siguientes afirmaciones es(son)
verdadera(s)? I. El calor se puede medir en joules. II. El calor se
puede medir en kelvin. III. El calor se puede medir en
calorías.
a. Solo I b. Solo II c. Solo III d. Solo I y II e. Solo I y
III
6. ¿A través de qué forma llega la energía del Sol según la
imagen?
a. Radiación. b. Convección. c. Conducción. d. Radiación y
convección. e. Radiación y conducción.
7. ¿En qué estado(s) puede darse la transmisión de calor por
convección?
a. En líquidos y gases. b. En sólidos y líquidos. c. Únicamente
en gases. d. Únicamente en sólidos. e. Únicamente en líquidos.
8. ¿Cuál es el principal mecanismo de transmisión de la energía
en que se fundamenta la construcción de
un termómetro? a. Radiación. b. Dilatación. c. Elasticidad. d.
Convección. e. Conducción.