Calor y Temperatura

Situaciones comunes donde se percibe el cambio de temperatura.

• Es muy común cuando se pone a hervir agua y se calienta.
• La fiebre es un ejemplo muy común que ocurre dentro del ser humano.
• El cambio repentino de temperatura al abrir la puerta de tu refrigerador/congelador.
• Al entrar a un automóvil que ha estado estacionado mucho tiempo bajo el sol.
• El momento de entrar a una sala de hospital con los aires acondicionados encendidos.

Calor

El "calor" se puede definir como la cantidad de energía interna de un cuerpo. Es una forma de energía en movimiento.

TRANSFERENCIA DE CALOR

Energía en tránsito o movimiento debida a una diferencia de temperatura. (De mayor temperatura a menor temperatura)   El requisito básico para que tenga lugar la transferencia de calor, es que exista una diferencia de temperatura, sin embargo la forma como ocurre o el mecanismo a través del cual tiene lugar la transferencia puede variar. 

Mecanismos de Transferencia de Calor 

• Conducción: es un proceso mediante el cual el calor fluye desde una región de alta temperatura hasta una región de baja temperatura, dentro de un medio sólido, líquido o gaseoso, o entre medios diferentes en contacto físico directo entre las moléculas.  
• Convección: es un mecanismo de transporte de energía por acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de materia en grandes grupos de moléculas. Cuando un fluido se mueve sobre una superficie que se encuentra a otra temperatura, se produce transferencia de calor en las adyacencias de la frontera cuyo signo dependerá del valor relativo de las temperaturas.  Existen dos tipos de Convección:
  
  *Convección Forzada: el movimiento del fluido es generado por fuerzas impulsoras externas. Por ejemplo: aplicación de gradientes de presión con una bomba, un soplador, etc.
  
  *Convección Natural: el movimiento del fluido es generado por variaciones de densidad. Estas a su vez pueden ser producidas por la existencia de gradientes de temperatura o de concentración en el seno del fluido.
  
  Cuando no hay presencia de un fluido en movimiento no hay convección
• Radiación: es un proceso mediante el cual el calor fluye desde un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura cuando entre estos no existe contacto físico directo. El mecanismo molecular de transferencia es a través de ondas electromagnéticas.

CALOR PERDIDO Y CALOR GANADO.

Equilibrio térmico

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.
Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.
La cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

Ce=Calor especifico (1 y 2)
m=Masa del objeto (1 y 2)
Tf= Temperatura final
Ti=Temperatura inicial.

Temperatura.

La temperatura de un cuerpo se define como la energía cinética media de las moléculas. Mediante el sentido del tacto podemos percibir cual de dos cuerpos es el más caliente y cual es el más frío. Por lo que podemos distinguir cual de los dos tiene la temperatura más alta.  Entonces la temperatura de un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté "más caliente" o "más frío". 
Esta medición de variación de temperatura se realiza por medio de termómetros que tienen una determinada escala. 

Características de los diferentes tipos de termómetros.

• Termómetro de gas: El termómetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene un margen de aplicación extraordinario: desde - 27 °C hasta 1477 °C.La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

• Termómetro óptico: Dispositivo de medida de la temperatura en el que las propiedades de transmisión  y reflexión de la luz visible depende de la temperatura y cuya detección se puede relacionar con la temperatura tisular.

• Termómetro metálico: El termómetro metálico es un instrumento utilizado para medir temperatura mediante la contracción y expansión de dos distintas aleaciones metálicas de alto y bajo coeficiente de dilatación.
  

• Termómetro clínico: Instrumento que sirve para medir la temperatura; el más habitual consiste en un tubo capilar de vidrio cerrado y terminado en un pequeño depósito que contiene una cierta cantidad de mercurio o alcohol, el cual se dilata al aumentar la temperatura o se contrae al disminuir y cuyas variaciones de volumen se leen en una escala graduada.
  

• Termómetro de máximos y mínimos: El termómetro de máximos y mínimos, señala la temperatura máxima y mínima del lugar donde se encuentra. El termómetro se compone de un capilar que contiene dos varillas unidad, correspondiendo la varilla de la izquierda a la temperatura mínima y la varilla de la derecha a la temperatura máxima. Ambas varillas están llenas de líquido por donde se desliza el testigo de la temperatura alcanzada (estilete).
  

• Termómetro de alcohol: El termómetro de alcohol es un tubo capilar de vidrio de un diámetro interior muy pequeño (casi como el de un cabello), que cuenta con paredes gruesas; en uno de sus extremos se encuentra una dilatación, llamada bulbo, que está llena de alcohol.
  

Escalas de temperatura.

DILATACIÓN.

aumento de tamaño de un cuerpo por acción del calor

En este blog veremos 3 tipos de dilatación las cuales son:

*Dilatación lineal: La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

Lf=Longitud final

Lo=Longitud inicial.

α= Coeficiente de dilatación lineal

△t= Variación de temperatura (Tf-To)

*Dilatación superficial: Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo

Sf= So(1+β△t)

Lf=Longitud final

Lo=Longitud inicial.

β=Coeficiente de dilatación superficial.

△t= Variación de temperatura (Tf-To)

*Dilatación Volumétrica: Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo.

Vf= Vo(1+γ△t)

Lf=Longitud final

Lo=Longitud inicial.

γ=Coeficiente de dilatación volumétrica.

△t= Variación de temperatura (Tf-To)

*Dilatación irregular del agua:

Como los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene, no se puede hablar que exista dilatación lineal o dilatación superficial. Estamos ante un caso de dilatación volumétrica y debemos considerar una dilatación total.

Como caso especial, tenemos al agua, ya que cuando se encuentra a temperaturas cercanas a su punto de congelación (0 °C), ya que con un incremento pequeño de temperatura esta se contrae y el proceso continúa hasta el omento justo en que alcanza 4°C.

Si la temperatura sigue aumentando, entonces le agua empieza a dilatarse en forma continua hasta el momento en que alcanza su punto de ebullición, el cual corresponde a 100°C.

Por la estructura cristalina del agua, esta aumenta de volumen por debajo de 0°C, y como es hielo macizo, al tener una mayor densidad que el agua, flota, tal y como se puede observar en los polos de la tierra.

Esto es de mucha importancia, ya que en las zonas geográficas de baja temperatura los lagos y mares tienden a congelarse en la superficie, esta capa sirve como protección para que la vida en el interior siga su ritmo, ya que conserva una temperatura adecuada para la fauna mar

EXPERIMENTO

Materiales

• 3 recipientes del mismo tamaño uno contendrá agua caliente, el otro agua fría y el otro agua tibia.

Procedimiento

• Acomodar los recipientes de tal forma que el recipiente con agua tibia quede en medio
• Introducir una mano en el agua caliente
• Introducir la otra mano en el agua fría
• Finalmente introducir ambas manos en el agua tibia.

OBSERVACIONES

Al introducir la mano en el agua caliente se siente como sube la temperatura de la mano por lo contrario con el agua fría en ella se siente como disminuye la temperatura, pero al introducir ambas manos en el agua tibia estas van liberando y agarrando calor respectivamente hasta que se llega a un equilibrio de temperatura.

Teorema de Bernoulli y derivados.

También conocido como el teorema de trabajo-energía en los fluidos.
Bernoulli, considera que en una tubería que posee una elevación, la presión es menor que la parte mas alta.

Para determinar este teorema se relaciona el principio de la conservación de la energía que involucra a las energías cinética y potencia

ET=Ec+Ef
ET=ENERGIA TOTAL
Ec=ENERGIA CINETICA
Ef=ENERGIA POTENCIAL

Esta ley se puede expresar también de la siguiente manera:

ET=


















































La ecuación de este teorema nos puede ayudar a determinar la presión o velocidades cuando existe una diferencia de alturas por el conducto.

TEOREMA DE VENTURI.

El medidor de Venturi es una de las aplicaciones del teorema de Bernoulli, se utiliza para saber la presión de una tubería horizontal.

TEOREMA DE TORRICELLI.

Es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio. "La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio".

Relación de entrada y salida.

El Gasto es la relación que existe entre la cantidad de volumen del fluido que pasa a través de una tubería en determinado tiempo.


G= V/T              G=gasto(m3/s)
                                          V=volumen(m3)
                                           t=tiempo(s)

Ademas el gasto puede calcularse como:


G= Av        A=Área(m2)
                                    v=velocidad(m/s)

El Flujo se define como la cantidad de masa de fluido que puede pasar a través de una tuberia en determinado tiempo, y se describe como:

Hidrodinámica.

Es la parte de la física que estudia el movimiento de los fluidos. Este movimiento está definido por un campo vectorial de velocidades correspondientes a las partículas del fluido y de un campo escalar de presiones, correspondientes a los distintos puntos del mismo.
Para facilitar la compresión de estas características debemos tener en cuenta las siguientes reglas:

• Los líquidos son incomprensibles.
• La viscosidad no afecta el movimiento del fluido, es decir, la fricción ocasionada por el paso del liquido en las paredes de la tubería se considera despreciable. 
• El flujo del liquido a través de las tuberías es estable y estacionario, es decir, no hay turbulencias
  

PRINCIPIOS DE LA HIDROSTATICA: ARQUÍMEDES

Este gran personaje fue un científico, inventor, ingeniero, astrónomo y matemático que contribuyó con la Física con un gran principio: "Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso desalojado del fluido"

El Empuje es la fuerza que ejercen los fluidos por acción de la presión sobre un objeto. Existen tres condiciones:

1. Si el peso del objeto es menor al que el empuje realizado por el fluido, entonces el objeto flota.
2. Si el peso del objeto es igual al del empuje realizado, entonces el objeto quedará sumergido en el fluido, de manera que las fuerzas se equilibran.
3. Si el peso del cuerpo es mayor al del empuje realizado, entonces el objeto se hunde.

Podemos concluir matemáticamente: E=PeV

E= empuje(N)

Pe=peso específico(N/m2)

V=volumen

PRINCIPIO DE PASCAL.

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: la presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante.

La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible... El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.

También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas.

APLICACIÓN DE PRINCIPIO DE PASCAL

El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter altamente incompresible de los líquidos. En esta clase de fluidos la densidad es prácticamente constante, de modo que de acuerdo con la ecuación:

Donde:

P = presión total a la profundidad

h= medida en Pascales (Pa).

Po=presión sobre la superficie libre del fluido.

ρ=densidad del fluido.

g= aceleración de la gravedad.

PRENSA HIDRÁULICA

La prensa hidráulica es una máquina compleja semejante a un camión de Arquímedes, que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial.

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. En la prensa hidráulica, se considera que la presión del líquido es la misma en todo el fluido y sobre las paredes del recipiente, de manera que :P1=P2 

Como P=F/A, entonces se puede relacionar expresándola de la siguiente manera: 

                                                                                                              En donde:
F1=Fuerza obtenida en el émbolo mayor en newtons(N)
A1=Área del émbolo mayor en metros cuadrados (m2)
F2=Fuerza obtenida en el émbolo menor en newtons(N)
A2=Área del émbolo menor en metros cuadrados(m2)                    

Sesión B:HIDROSTÁTICA

La hidrostática o estática de fluidos es la parte de la física que estudia los fluidos en reposo.Se denominan fluidos los cuerpos que no tienen forma propia, sino que se adaptan a la forma de la vasija que los contiene, son líquidos o gases.Los líquidos tiene forma variable, volumen constante, son poco compresibles, y ejercen, a causa de su peso, presiones sobre las paredes del recipiente que los contienen.Se deforman con facilidad y su superficie libre tiene forma definida. Los gases no tienen volumen constante y son fácilmente compresibles.

PRESIÓN

En este capítulo, se estudiarán los denominados fluidos ideales o perfectos, aquellos que se pueden desplazar sin que presenten resistencia alguna. Posteriormente, estudiaremos los fluidos reales, aquellos que presentan cierta resistencia al fluir. La dinámica de fluidos es muy compleja, sobre todo si se presentan los denominados vórtices o torbellinos.

TIPOS DE PRESIÓN.

Hidrostática: Da cuenta de la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por el sólo hecho de estar sumergido en un líquido.

Atmosférica: se denomina de esta forma a la presión que la atmósfera ejerce sobre aquellos cuerpos que se encuentren dentro de la misma o bien, sobre la superficie terrestre, de allí su nombre. Se debe tener en cuenta que la atmósfera es aquella capa gaseosa que rodea a todo el planeta Tierra y que está compuesta por oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y argón, entre otros gases. Tras un experimento realizado por el científico Evangelista Torricelli en el que se valió de un tubo con mercurio se concluyó que la atmósfera ejerce una presión de 1 atm sobre todos aquellos cuerpos que se encuentren sobre la superficie de nuestro planeta.

Absoluta: se le llama de esta forma a aquella presión que, en relación al cero absoluto, es soportada. Para que exista esta presión es necesario que la misma sea superior a la atmosférica. De todas maneras, se habla de “depresión” cuando la presión absoluta se encuentra por debajo de la atmosférica, por lo que cuando es superior se habla de “sobrepresión”, por lo que en ambos casos se está hablando de presiones relativas.

Manométrica: se denomina de esta manera a aquella presión que resulta de la diferencia que se establece entre la absoluta y la atmosférica. Se debe tener en cuenta que, mientras que la presión absoluta es aquella que debe ser medida en relación a un vacío perfecto, la que se mide en relación a la atmosférica es la que se denomina manométrica.