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Conceptos y ejercicios sobre termodinámica y transmisión de calor

1. Facultad Politécnica Universidad Nacional del Este Física II Unidad I. Termodinámica, dilatación, calorimetría, transmisión del calor Ingeniería de sistemas Semestre: tercero Sección: única Año : 2024 Profesor: Celso Alberto Rojas Pukall

2. La teoría cinética de los gases afirma que la materia está formada por átomos y estos se encuentran en movimiento cuya intensidad determina la temperatura de la materia. Temperatura: Variable que indica el nivel térmico de un objeto material 1 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑎 ≡ 4,185 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 Puntos referentes para medir temperatura en escalas termométricas: 1) Escala centígrada o C : 2) Escala Fahrenheit o F : . 3) Escala absoluta Kelvin K:  

3. Métodos termométricos Ley cero de la termodinámica: si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio entre sí. Cuando dos sistemas están en equilibrio térmico entre sí, el intercambio neto de calor entre ambos es nulo y sus temperaturas son iguales. Métodos: expansión del mercurio, par bimetálico, termopar ( ddp entre dos metales en función de T), termómetro de resistencia eléctrica (diferencia de resistencia en función de T), termistor (semiconductor cuya R varía en función de T).

4. Expansión térmica Casi todas las sustancias se expanden cuando aumentan su temperatura. Muchos materiales son térmicamente isotrópicos, esto significa que al calentarse se expanden uniformemente en toda dirección. El coeficiente volumétrico de expansión térmica se define como: Superficialmente: Donde y se mide en unidades inversas de temperatura: grados -1 .  

5. Capacidad calorífica, calor latente y calorimetría Capacidad calorífica: Capacidad calorífica específica o calor específico: Si un cuerpo a se coloca en un calorímetro con líquido, ambos a ; se cumple que al alcanzar el sistema, el equilibrio térmico, por conservación de energía: Ganancia de calor por parte del sistema más frío = pérdida de calor por parte del sistema más caliente Si  

6. Calor latente Calor absorbido o desprendido en una transición de fase a una temperatura fija, por unidad de masa. El calor latente de fusión es el calor necesario para romper la ligadura entre moléculas del sólido. El calor latente de vaporización es el calor necesario para romper la ligadura entre moléculas del líquido.

7. Datos ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; y composición de la mezcla.  

8. Desarrollo Debido al desequilibrio térmico inicial entre el plomo, por un lado a , y por otro lado el hielo y el cobre a . El primero empieza a cambiar de estado líquido a sólido liberando energía, y los otros se calientan absorbiendo dicha energía. Si las temperaturas del hielo y del cobre, , aumentan hasta : Si todo el plomo cambia de estado: Puesto que , el hielo empieza a fundirse, si se funde completamente: : Puesto que , implica que el plomo empieza a enfriarse desde , si se enfría hasta : Puesto que , el hielo llega a fundirse solo parcialmente, por lo tanto la temperatura final de equilibrio térmico es La cantidad de masa de hielo que llega a fundirse: está definida por la energía disponible, dada por Luego  

9. Transmisión de calor: convección, conducción y radicación. Convección: por desplazamiento de masa, ocurre en fluidos por cambio de densidad en campo gravitacional o por movimiento forzado. Caso anómalo del agua:

10. Conducción: Transmisión sin movimiento macroscópico del medio que conduce el flujo de calor. Microscópicamente los átomos aumentan su vibración en torno a sus posiciones de equilibrio, proporcionalmente a la temperatura y eso se transmite de regiones más calientes a regiones más frías. Gran parte del calor transmitido es por movimiento de electrones. Depende de: , conductividad térmica; , sección transversal; , el gradiente de temperatura: el signo menos (–) es porque el calor se transmite en sentido opuesto a se mide en Escala de metales, luego en aleaciones, luego en no metales sólidos, luego en líquidos y por último en gases. depende de T, aumenta a bajas temperaturas, generalmente. Resistencia térmica : donde En términos de : resistencia térmica de sección transversal de área unitaria  

11. Radiación: transferencia de energía que prescinde de medio material, se propaga por ondas electromagnéticas, cualitativamente idénticas a la luz visible. Ley de Stephan: ; donde: = potencia radiada A= área del emisor (o receptor) = constante de Stefan = emisividad superficial Requisito para equilibrio térmico por radiación: emisividad = absorsividad