NATURALEZA DEL CALORExplicar el funcionamiento de una locomotora de vapor. Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger TRANSMISIÓN DEL CALOR • Dilatación de los cuerpos • Cantidad de calor • Transmisión del calor • Naturaleza del calor • Cambios de estado • La atmósfera • Primer Principio de la Termodinámica • Gas Perfecto/Gas Real • Segundo Principo de la Termodinámica • Máquinas térmicas Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger la tapa se mueve. 2. Una locomotora se mueve gracias al calor que entrega la caldera al agua. Cuando un auto frena. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Calor Trabajo 1. Si se dobla repetidamente un alambre este se calienta. EL CALOR PUEDE TRANSFORMARSE EN TRABAJO. el sistema de frenado se calienta. Cuando se calienta agua en una tetera. 2. Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Trabajo Calor 1.NATURALEZA DEL CALOR CALOR Y TRABAJO MECÁNICO EL TRABAJO PUEDE TRANSFORMARSE EN CALOR. Los fenómenos calóricos son fenómenos energéticos. Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5.NATURALEZA DEL CALOR CALOR Y TRABAJO MECÁNICO La energía de un cuerpo es su capacidad de producir trabajo. luego: EL CALOR ES UNA FORMA DE ENERGIA. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . pierden energía potencial. Si los bloque de masa m desciende una altura h. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4. se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua. Mediante esta experiencia simulada.186 J/(g ºC). 4. Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Como consecuencia.186 J Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Las pesas que se mueven con velocidad prácticamente constante. Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. 1 cal = 4. la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría. y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO NECESARIO PARA PRODUCIR UNA CANTIDAD DE CALOR En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor. el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción. Por tanto. es decir. la energía potencial disminuye en 2mgh. En (b) se ha suministrado calor al líquido que está hirviendo a temperatura constante. Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. En (a) el cilindro tiene un masa m de un líquido en su punto de ebullición. con el émbolo apoyado directamente sobre la superficie líquida. En (c) ha terminado la ebullición del líquido y el cilindro contiene una masa m de sustancia en forma de vapor. En estas condiciones.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Un líquido hierve en un cilindro cerrado. El émbolo tiene peso despreciable. mL. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . El vapor procedente del líquido fuerza el émbolo contra la presión atmosférica. no tiene roce y se halla perfectamente ajustado a la pared del cilindro. la presión que se ejerce sobre el contenido del cilindro es igual a la presión atmosférica. El calor suministrado durante le proceso es igual al producto de la masa por el calor de vaporización. Durante la ebullición se ha realizado trabajo mecánico. El resto del calor se dice que ha aumentado la energía interna de la sustancia. no todo el calor ha sido absorbido por el vapor. luego. La cantidad de trabajo será : W=Fxd Este trabajo sólo puede proceder de la cantidad mL de calor suministrado. Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN El principio de conservación de la energía dice que cuando se realiza trabajo sobre un cuerpo debe tenerse en cuenta todo el trabajo efectuado. El trabajo W se denomina trabajo externo o parte externa del calor de vaporización. y éste se ha desplazado una distancia d. En este caso el calor suministrado es mL. sea en una forma o en otra. puesto que el vapor ha ejercido una fuerza F contra la superficie del émbolo. el que puede escribirse VV – VL. Estableciendo el balance de energía se tiene: mL = (UV – UL) + W Es decir. Si UV es la energía interna del vapor. Sea A la superficie del émbolo. el calor suministrado es igual al incremento de energía interna más el trabajo exterior. las unidades utiliza esta mL = (UV – UL) + p(VV – VL) Termodinámica Clase 5. y UL la del líquido. la fuerza aplicada será: F = pA y el trabajo realizado es: W = Fd = pAd Ad es el incremento de volumen. siendo VV el volumen de vapor y VL el del líquido. Luego: W = p(VV – VL) Y finalmente: Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Atención a cuando se ecuación. el incremento de energía interna será UV – UL.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Sea U la energía interna de un cuerpo. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . W = p(VV – VL). se ha deducido para el caso especial de ebullición a presión constante.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN La expresión de trabajo externo. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Si la presión varía durante la expansión. el trabajo realizado para conseguir un pequeño aumento de volumen dV es: dW = pdV VB Si el volumen pasa de A a B: W pdV VA VB Si la temperatura T se mantiene constante en el proceso: W V A nRT dV V dV VA V V W nRT ln B VA VB W nRT Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. 5 julios = 41 cal Incremento energía interna m*v = (UV – UL) + W (UV – UL) = m*v-W m*v=1g*539cal/g (UV – UL) = (539-41) cal = 498 cal m*v=539 cal Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Problema 1.671 cm3 de vapor cuando hierve a una presión de 1 atm.013 x 106 (1671 -1) = 1. Calcular el trabajo exterior y el incremento de energía interna. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Un gramo de agua (1 cm3) se transforma en 1. El calor de vaporización (v) correspondiente a esta presión es de 539 cal/g.695 x 109 ergs = 169. Trabajo externo = p(VV – VL) = 1. 9 cal Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Un mol de oxígeno (se asume gas ideal) se expande a temperatura constante T de 310 K.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Problema 2. de un volumen inicial de 12 lt a un volumen final de 19 lt. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .31 J/mol K) (310 K) ln (19 lt/12 lt) = 1.180 julios = 281. ¿Cuánto trabajo se realiza por la expansión de los gases? Trabajo externo = nRT ln (VB/VA) = (1 mol) (8. 932. Un auto de 5.000 J Q 1.8 2 s 2 1.000 kg marcha a 100 km/h y frena.000kg 27. La energía cinética es: E Unidades en sistema internacional: 1 m v2 2 v 100 km m 27.932.680cal Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5.000 J 1.000 0. Calcular la cantidad de calor en que se transforma su energía cinética.8 h s Luego: 1 m E 5.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Problema 3.24cal 463. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .932. . el cual está a 57°C.La energía potencial se transforma íntegramente en energía cinética. No hay rebote al llegar al suelo.780m mg 0.NATURALEZA DEL CALOR TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN Problema 4. más la necesaria para la fusión. Q2. tal que: mgh E h Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial E 566.010kg 9. 2. ni pérdida de energía por fricción del aire. la masa debe estar a una altura h.03 10 g (327C 57C ) 5.7 J 5. Q Q1 Q2 c m T f m cal cal 0.24 Para que esta sea su energía potencial.8 m s2 Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .5 10 g 81cal 55cal 136cal g C g La cantidad de calor equivale a la energía mecánica: E Q 136 J J 566. ¿Desde qué altura habrá que dejar caer un trozo de plomo de 10g..7 J 0. para que se funda con el calor desarrollado por el choque? Consideraciones: 1.24 0.La cantidad de calor Q necesario para que se funda será la suma de la necesaria para elevar la temperatura hasta la fusión Q1. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR Variables Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Solución Termodinámica Clase 5. NATURALEZA DEL CALOR Variables Solución Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR Variables Solución Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR Variables Solución 1 Solución 2 Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR Variables Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Solución Termodinámica Clase 5. NATURALEZA DEL CALOR Variables Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Solución Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . NATURALEZA DEL CALOR Variables Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5. Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger . Naturaleza del Calor Eduardo Barriga Schneeberger .NATURALEZA DEL CALOR Solución Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas Ingeniería en Aviación Comercial Termodinámica Clase 5.