ENERGÍA INTERNA

•    Tipos de energía interna

•    la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema,

•    la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.

•   Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente sobre una mesa, no tiene energía aparente, ya sea potencial o cinética. Pero en escala microscópica, es un hervidero de moléculas de alta velocidad que viajan a cientos de metros por segundo. Si el agua se tirara  por la habitación, esta energía microscópica no sería cambiada necesariamente por la superimposición de un movimiento ordenada a gran escala, sobre el agua como un todo.

 

                                                  

Maquinas Térmicas

Una maquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

Clasificación

Según el sentido de transferencia de energía

Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

•    Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.

•    Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.

Según el principio de funcionamiento

Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

•    Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsa torio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular.

•    Turbo máquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

		Máquinas térmicas

 

El 

equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas.

VAPORIZACIÓN Y

EBULLICIÓN

Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

CONDENSACIÓN:

Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación

SUBLIMACIÓN:

 Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materiasólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Deionización: Es el cambio de un plasma a gas.

Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico. Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y provechosas para la vida y el sustento del hombre cuando se desarrollan normalmente.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos.

u                                   Cambios progresivos:Vaporización, fusión y sublimación progresiva.

u                                   Cambios regresivos:Condensación, solidificación y sublimación regresiva

u           

Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio término.

El de equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel macroscópico.

En física, el nivel macroscópico es el nivel de descripción en que la posición o estado físico concreto de las partículas que integran un cuerpo puede ser resumido en una ecuación de estado que sólo incluye magnitudes extensivas (volumen, longitud, masa) y magnitudes intensivas promedio (presión, temperatura).

El concepto de equilibrio térmico es la base de la llamada Ley Cero de la Termodinámica. Esta ley proposición fue enunciada por R. H. Fowler en 1931. La ley cero de la termodinámica se enuncia diciendo:

La experiencia indica que si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

 

                   

Cuando dos sistemas se encuentran en contacto mecánico directo, o en su defecto, separados mediante una superficie que facilita la transferencia de calor, superficie diatérmica, se dirá que ambos están en contacto térmico. Mientras tanto, al cabo de un tiempo, aunque los dos sistemas que se hallan en contacto térmico se encuentren dispuestos de tal manera que no puedan mezclarse o aunque estén colocados en el interior de un espacio en el cual es imposible que intercambien calor con el exterior, indefectiblemente, alcanzarán el estado de equilibrio térmico.

Para poder conocer la temperatura que presenta un cuerpo o sustancia se emplea el dispositivo del termómetro. Cuando el termómetro entra en contacto térmico con el cuerpo en cuestión ambos alcanzarán el equilibrio térmico y entonces al encontrase en la misma temperatura, sabremos que la temperatura que nos indicará el termómetro en su índice será la temperatura del cuerpo que nos ocupa.

  

La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía macroscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento.

CAMBIO DE ESTADO Y

EQUILIBRIO TÉRMICO

CAMBIO DE ESTADO

Es la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta la materia oscura).

CAMBIOS DE ESTADO DE

AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

FUSIÓN

Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

SOLIDIFICACIÓN

Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico (cualquier reacción química que desprenda energía, ya sea como luz o calor). El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

Calor y cantidad de calor

•       ¿Qué es calor?

•       La física entiende el calor como la energía que se traspasa El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía.

•       El calor es una manifestación de la energía provocada por el movimiento molecular. Al calentarse un cuerpo, aumenta la energía cinética de las moléculas, produciéndose choques más o menos violentos, según la cantidad de calor entregada.

•       La intensidad de calor está relacionada con la velocidad del movimiento molecular estableciéndose para medirla una práctica que da una idea del grado o nivel del calor que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se fijan parámetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor, al que se denomina temperatura. Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular tiene más temperatura o más nivel de calor que otro.

•       Unidades para medir el Calor

•       Como ya mencionamos el Calor es una forma de energía llamada energía Calorífica. Por lo tanto, las Unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecanico  y de la energía:

•       Sistema Internacional de Unidades (SI):

 Joule: Newton metro: NM : J

•       Caloría: Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura 1°C.

•       Kilocaloría: En un múltiplo de la caloría y equivale a:

•       1KCAL = 1000 cal.

•       Aun se usa mucho el sistema ingles a pesar de los inconvenientes que presenta. Por ello, es necesario describir a la unidad de calor usada por el sistema ingles que es el BTU (por sus siglas en ingles: British termal Unit).

•       BTU:  Es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g) para que eleve su temperatura un grado Fahrenheit:

•       1 BTU = 252cal = 0.252 kcal

•       La equivalencia entre joules y calorías, es la siguiente:

       1 JOULE = 0.24cal

       1 caloría = 4.2 J

•       Formula de calor

•       Q= Ce*m (Tf-Ti)
Ce= Q/m(Tf-Ti)
Tf=Ti+Q/Ce.m
Ti= Tf-Q/Ce.m

Ce= Calor especifico
Q= calor
Ti= Temperatura inicial
Tf= Temperatura final

•        

•       unidades

•       Ce= cal/gºc
Q= Cal
m= Kg
Ti= ºC
Tf= ºC

PROCESOS TERMODINAMICOS

QUE ES UN PROCESO TERMODINAMICO

se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final.

QUE SON LOS PROCESOS TERMODINAMICOS (ISO)

Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijo iso-.

TRANSFERENCIA DE CALOR:

La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura

La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

H = corriente calorífica (J/s)

A = área superficial (m²)

Dt = diferencia de temperatura

L = espesor del material

Transferencia de calor por conducción

Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.

Transferencia de calor por convección

Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.

El fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección.

La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

Transferencia de calor por radiación

Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas

Corriente calorífica

La corriente calorífica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t  en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura.

Dilatación Lineal, Superficial y Volumétrica

15 de septiembre de 2010 Publicado por Monica González

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.

Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0 y temperatura θ0.

Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δθ, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (conforme podemos ver en la siguiente figura):

Matemáticamente podemos decir que la dilatación es:

Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de temperatura, o sea, 2Δθ, entonces observaremos que la dilatación será el doble (2 ΔL).

Podemos concluir que la dilatación es directamente proporcional a la variación de temperatura.

Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor.

Podemos concluir que, la dilatación es directamente proporcional al larco inicial de las barras.

Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales diferentes, notaremos que la dilatación será diferentes en las barras.
Podemos concluir que la dilatación depende del material (sustancia) de la barra.

De los ítems anteriores podemos escribir que la dilatación lineal es:

Donde:
L0 = longitud inicial.
L = longitud final.
ΔL = dilatación (DL > 0) ó contracción (DL < 0)
Δθ = θ0 – θ (variación de la temperatura)

α = es una constante de proporcionalidad característica del material que constituye la barra, denominada como coeficiente de dilatación térmica lineal.
De las ecuaciones I y II tendremos:

La ecuación de la longitud final L = L0 (1 + α . Δθ), corresponde a una ecuación de 1º grado y por tanto, su gráfico será una recta inclinada, donde:

L = f (θ) ==> L = L0 (1 + α . Δθ).

Observaciones:
Todos Los coeficientes de dilatación sean α, β ou γ, tienen como unidad:

(temperatura)-1 ==> ºC-1
DILATACIÓN SUPERFICIAL

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicial S0 y temperatura inicial θ0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a S.

La dilatación superficial ocurre de forma análoga a la de la dilatación lineal; por tanto podemos obtener las siguientes ecuaciones:

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