miércoles, 2 de noviembre de 2011

CALOR


INTRODUCCION:

 El calor es energía, el calor se define como la suma total de energías cinéticas de todas las moléculas constitutivas de un cuerpo pero también se define como transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas.
Los gases ideales, primero que nada definiremos que es un gas, un gas es "es una sustancia cuyo volumen es igual al volumen del recipiente que lo contiene" Un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y sus choques son perfectamente elásticos entre ellos (conservación de momento y energía cinética).
Ley de charles: es una ley de los gases ideales que va relacionando con el volumen y temperatura de una cantidad de gas ideal que mantiene una presión constante mediante cierta proporcionalidad constante directa, la ley dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye.
Ley de Avogadro: es una ley de los gases ideales y dice asi "Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas"
La electricidad es simplemente un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.
La ley de coulomb, se define como, La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La ley de Coulomb es válida solamente en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes.
Campo eléctrico ( E ). El campo eléctrico es fuerza de acción a distancia, este fenómeno es difícil de explicar a simple vista, la fuerza gravitacional se ejerce de una masa a otra cercana.
TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud física que expresa el nivel del calor y sea de un cuerpo de un objeto  del ambiente

No siempre son proporcionales la cantidad de calor entregado a un cuerpo y la temperatura de este. Es cierto que, a medida que vamos calentando el agua de un recipiente (a medida que le vamos entregando calor), su temperatura aumenta. Sin embargo, al llegar a cien grados , esta correspondencia se pierde: el calor es invertido en transformar el agua liquida en vapor, no en aumentar su temperatura.
El calor se puede transmitir por tres medios: en los sólidos, por conducción; en los líquidos y gases, por convección; y del sol por ejemplo, nos llega por radiación. Para evitar que en ciertos utensilios domésticos el calor se propague por conducción hasta la mano, se usa un aislante; en este caso, el aislante es la baquelita, material que conduce mal el calor que se propaga por conducción.
 El calor se propaga por convección en el aire; se crean así unas corrientes térmicas ascendentes que pueden ser aprovechadas por los buitres para planear sin consumir energía. Finalmente, el calor que llega del sol por radiación puede aprovecharse por medio de células solares para obtener la energía que mueve los ingenios espaciales.



Gases ideales

Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.
En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comportan en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el aire, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable. Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presión) ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante comparado con el espacio vacío entre ellas.
El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas, cuando las fuerzas intermoleculares y el tamaño intermolecular es importante. También por lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayoría de los gases pesados, tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes. A ciertas temperaturas bajas y a alta presión, los gases reales sufren una transición de fase, tales como a un líquido o a un sólido. El modelo de un gas ideal, sin embargo, no describe o permite las transiciones de fase. Estos fenómenos deben ser modelados por ecuaciones de estado más complejas.
El modelo de gas ideal ha sido investigado tanto en el ámbito de la dinámica newtoniana (como por ejemplo en "teoría cinética") y en mecánica cuántica (como en el "gas in a box"). El modelo de gas ideal también ha sido utilizado para modelar el comportamiento de electrones dentro de un metal (en el Modelo de Drude y en el modelo de electrón libre), y es uno de los modelos más importantes utilizados en la mecánica estadística.

La construcción y manejo de un globo para desfiles requiere conocimiento de las Leyes de los Gases. Antes de construir éste globo se determina su volumen. Conociendo el volumen preciso del globo, los ingenieros calculan la masa de una mezcla aire-helio necesaria para inflarlo y mantenerlo a volumen constante y a una temperatura dada. ¿Qué factores deben tomarse en cuenta para el llenado de éste globo en diferentes épocas del año?

Un gas se caracteriza, fundamentalmente por carecer de una forma definida y ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene, esto se debe a que sus moléculas están muy separadas una de las otras.
Los gases están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante movimiento, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que los contiene. Si la temperatura de un gas aumenta, la agitación de sus moléculas se incrementa y en consecuencia se eleva la presión. Pero, si la presión permanece constante, entonces aumentará el volumen ocupado por el gas. Por otra parte, si un gas se comprime, se incrementan los choques entre sus moléculas y, por lo tanto, se eleva la cantidad de calor producida.
Todos los gases pueden pasar a tener un estado líquido si se les comprime a una temperatura inferior a su temperatura crítica, y se les llama gases licuados. Por ejemplo, en los tanques de gas butano que usan en tu casa, en los dirigibles, en los tanques de oxígeno líquido usados en los talleres para soldar, en los tanques de oxígeno usados en los hospitales, en el envasado de refrescos, en los aerosoles (desodorantes, pinturas, fijadores de cabello, etc.).
Los gases se dilatan 1/273 de su volumen inicial cada vez que su temperatura aumenta un grado centígrado o en un grado Kelvin (cuyas divisiones tienen la misma magnitud), por lo
que se considera el valor 1/273 como el coeficiente de dilatación de los gases. Dado que en el S.I. las temperaturas de estos se miden en Kelvin.
Para determinar el estado de un gas se deben considerar  tres magnitudes físicas  para una masa dada en un gas: presión, volumen y  temperatura

cuando un gas es sometido a una transformación en la cual su temperatura se mantiene constante, se dice que ésta es una transformación isotérmica, y solo observamos variaciones en su presión y su volumen.
En 1 662, el inglés Robert Boyle, que es considerado el padre de la química moderna, llevó a cabo un estudio de los gases respecto a los cambios de su volumen, como consecuencia de las variaciones en la presión aplicada, enunciando la siguiente ley que lleva su nombre.
La definición de la Ley de Boyle significa que cuando un gas se puede dilatar o contraer, la presión dentro del gas varía en proporción inversa con el volumen; es decir, si se duplica el volumen, la presión baja a la mitad, y viceversa.


LEY DE CHARLES


EL primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar su temperatura fue el científico francés Jacques Alexandre César Charles, aproximadamente en 1787,  y enunció una ley que lleva su nombre.
Para una masa dada de un gas cualquiera,  el volumen que  ocupa es directamente proporcional a su temperatura si la presión se mantiene constante.

 Matemáticamente esta ley se enuncia como:

V/T=K                           
Todos los gases aumentan su volumen cuando aumenta la temperatura. Al duplicar la temperatura absoluta de un gas a presión constante se duplica su volumen.

Para dos estados  diferentes en volumen y temperatura (inicial y final), tenemos:

                                           V1/T1=K ....    (1)                             V2/T2=K...... (2)

Como K es una constante, sustituye la ecuación (2) en la ecuación (1):


 V1/T1= V2/T2



LEY DE GAY- LUSSAC

El científico francés Joseph Louis Gay – Lussac, aproximadamente en 1 802, encontró la relación existente entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen del recipiente que lo contiene permanece constante, a través de la siguiente ley que lleva su nombre:

P1/T1=K


Para un estado inicial y otro final,
                                                          
P1/T1=K     P2/T2=K


Igualando:

P1/T1=P2/T2  
LEY DE AVOGADRO

Volúmenes iguales de gases diferentes a la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.
El  valor del número de Avogadro, fue determinado por Jean-Baptiste Perrin, y es una cantidad constante para todos los gases, muy útil en los cálculos realizados en las reacciones químicas.



ECUACION DEL ESTADO DEL GAS IDEAL
Es un gas hipotético que permite hacer consideraciones prácticas que facilitan los cálculos matemáticos. Se caracteriza por que sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma y ocupan el volumen del recipiente que lo contiene y son sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.



on base en las leyes de BOYLE, CHARLES y GAY LUSSAC, se estudia la dependencia existente entre dos propiedades de los gases, conservándose las demás constantes, esto parte de la consideración que la relación PV/T, será siempre constante.
Y SE REPESENTA         P1V1/T1=P2V2/T2

LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO
El volumen ocupado por la unidad de masa de un gas, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, e inversamente proporcional a la presión soportada
Donde     (P1,V1,T1)  pueden considerarse como las condiciones del estado inicial y (P1.V1 Y T1) las condiciones del estado final. Por lo tanto la Ley General de Estado  Gaseoso establece que para una masa dada de un gas,  su relación  PV/T  siempre será constante.

ELECTRICIDAD

Fenómeno que tiene lugar como consecuencia de ciertas interacciones repulsivaso atractivas que aparecen entre los cuerpos de carga eléctrica.
La importancia que revisten los fenómenos de la electricidad actualmente reside en el aprovechamiento de las características que presenta la energía. Si dos cuerpos se atraen eléctricamente, y los queremos mantener separados, tendremos que hacer una fuerza para evitar que se dirijan el uno hacia el otro, es decir tendremos que  realizar un trabajo para mantenerlos separados. Por lo tanto, las fuerzas eléctricas crean una energía, ya que son capaces de hacer adquirir una cierta velocidad a los objetos, y obligan a realizar trabajo para anularlas.la corriente eléctrica no es otra cosa que flujo de partículas cargadas eléctricamente que se trasladan a lo largo de conductores, porque son atraídas hacia un extremo de estos. A su paso, estas partículas son capaces de entregarnos parte de la energía que las fuerzas eléctricas producen. Las aplicaciones de los fenómenos eléctricos en la moderna sociedad industrial son innumerables.
Electrón; partícula elemental que forma la corteza de los átomos. El electrón es un partícula ligera (su masa es de 9,1x10-31kg) y totalmente estable (aun cuando se halla fuera del átomo, no se desintegra).
Protón; partícula elemental de carga positiva, pesada y establece que junto con el neutrón, forma el núcleo de los átomos

LEY DE COLOUMB
Las primeras mediciones cuantitativas de la fuerza entre dos cuerpos cargados (cargas puntuales), fueron realizadas por el científico e ingeniero francés Charles Coulomb, en 1780, este probó la ley que lleva su nombre.

Charles de Coulomb (1736-1806), físico francés, pionero en la teoría eléctrica. Nació en Angulema y trabajó como ingeniero militar al servicio de Francia en las Indias Occidentales (actuales Antillas), pero se retiró a Blois (Francia) durante la Revolución Francesa para continuar con sus investigaciones en magnetismo, rozamiento y electricidad. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica. Con este invento, Coulomb pudo establecer el principio, conocido ahora como ley de Coulomb, que rige la interacción entre las cargas eléctricas.
En 1779 publicó el tratado Teoría de las máquinas simples, un análisis del rozamiento en las máquinas. Después de la Revolución, Coulomb salió de su retiro y ayudó al nuevo gobierno en la planificación de un sistema métrico decimal de pesos y medidas. La unidad de medida de carga eléctrica, el culombio, recibió este nombre en su honor.
En el universo existen fuerzas de contacto,  son aquellas producidas por cuerpos en movimiento estudiadas por las leyes del físico Isaac Newton; pero también existen fuerzas producidas por un enorme número de objetos que no están en contacto, éstas se rigen por las siguientes leyes:

Ley de Newton de la Gravitación Universal.


E=E1 + E2 + E3
F=G m1 m2/r2

           

 Ley de Coulomb de las fuerzas electrostáticas.

                                                                    
F=K q1q2/r2

Ambas leyes demuestran que las fuerzas producidas por grandes masas (m) o cargas eléctricas (q) dependen de la distancia de separación entre ellas. Por lo tanto, al aplicarlas es importante considerar ciertas propiedades del espacio que las rodea.



Campo eléctrico ( E ).

Como hemos visto, tanto la fuerza eléctrica como la gravitacional son ejemplos de fuerza de acción a distancia. Los físicos interesados en el estudio de este fenómeno difícil de explicar a simple vista, han demostrado de manera experimental que la fuerza gravitacional se ejerce de una masa a otra cercana, como se puede constatar con todos los cuerpos que se encuentran dentro del campo gravitacional de la tierra y de la misma manera se puede aplicar éste concepto a todos los objetos cargados eléctricamente. El espacio que rodea a dicho objeto cargado, se altera con la presencia de un campo eléctrico en éste espacio.



Es importante recordar que el campo eléctrico es una propiedad asociada con el espacio que rodea a la carga eléctrica, es decir, que existirá siempre un campo eléctrico alrededor de un cuerpo cargado independientemente si se coloca o no una carga en el

Alumnos de 5H . Cd. Obregon Sonora Mexico a 2 de noviembre del 2011


martes, 13 de septiembre de 2011

Capacidad Calorifica Y Calor Especifico

CAPACIDAD CALORÍFICA

 
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia.
La Capacidad Calorífica © de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.
Está dada por la ecuación:
C = Q/T [J/K]
Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.
Se mide en joules por kelvin (unidades del SI).
La capacidad calorífica © va variando según la sustancia.
Su relación con el calor específico es:
C = c.m
En donde c es el calor específico, y m la masa de la sustancia considerada.
Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar :
Q/T = c * m
De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura. 
 El agua es una substancia con una gran capacidad calorifica, ello queda demostrado puesto que en el experimento se puede ver como tiene gran capacidad de absorción de energia, es decir tarda mucho en calentarse y en enfriarse.

Medida de la capacidad calorífica

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
C = \lim_{\Delta T \to 0} \frac{Q}{\Delta T}
Donde:
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.
Q es el calor absorbido por el sistema.
ΔT la variación de temperatura
Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).
La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:
C = \frac{Q}{\Delta T} = c\cdot m
donde:
C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema
c es el calor específico o capacidad calorífica específica
m la masa de sustancia considerada
De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

 Planteamiento formal de capacidad calorífica

Sea un sistema termodinámico en el estado A. Se define la capacidad calorífica Cc asociada a un proceso cuasiestático elemental c que parte de A y finaliza en el estado B como el límite del cociente entre la cantidad de calor Q absorbido por el sistema y el incremento de temperatura ΔT que experimenta cuando el estado final B tiende a confundirse con el inicial A.
 C_c = \lim_{A \to B} \left( {Q \over \Delta T} \right)_c = \sum_i q_i \left( {dc_i \over dT} \right) =
\left( {\bar{d} Q \over dT} \right)_c
Donde \scriptstyle (c_1(T),\dots,c_n(T)), es una curva parametrizada mediante la temperatura, que representa el camino seguido en el espacio fásico durante el proceso c. La capacidad calorífica es, de este modo, una variable termodinámica y está perfectamente definida en cada estado de equlibrio del sistema (el signo \bar{d} indica que no una función Q cuya diferencial sea precisamente \bar{d}Q, es decir, se trata de 1-forma no exacta).


Calor específico y capacidad calorífica de algunos materiales

Material Calor específico
Densidad
Capacidad calorífica
kcal/kg °C
kg/m³
kcal/m³ °C
Agua 1 1000 1000
Acero 0,12 7850 950
Tierra seca 0,44 1500 660
Granito 0,19 2645 529
Madera de roble 0,57 750 430
Ladrillo 0,20 2000 400
Madera de pino 0,6 640 384
Piedra arenisca 0,17 2200 374
Piedra caliza 0,22 2847 484
Hormigón 0,16 2300 350
Mortero de yeso 0,2 1440 288
Tejido de lana 0,32 111 35
Poliestireno expandido 0,4 25 10
Poliuretano expandido 0,38 24 9
Fibra de vidrio 0,19 15 2,8
Aire 0,24 1,2 0,29
En la tabla se puede ver que de los materiales comunes poseen una gran capacidad calorífica el agua muros de agua, la tierra o suelo seco compactado (adobe, tapia), y piedras densas como el granito junto a los metales como el acero. Estos se encuentran entre los 500 y 1000 kcal/m³ °C.
Luego se encuentra otro grupo que va de 300 a 500 kcal/m³ °C entre los que se ubica la mayoría de los materiales usuales en la construcción actual, como el ladrillo, el hormigón, las maderas, los tableros de yeso roca y las piedras areniscas.
En un último grupo se encuentra (3 a 35 kcal/ °C), los aislantes térmicos de masa como la lana de vidrio, las lanas minerales, el poliestireno expandido y el poliuretano expandido que por su "baja densidad" debido a que contienen mucho aire poseen una capacidad calorífica muy baja pero sirven como aislantes térmicos.
Un caso especial es el aire (0,29 kcal/m³·K; 1,214 J/m³·K), que sirve como un medio para transportar el calor en los sistemas pasivos pero no para almacenar calor en su interior.


CALOR ESPECÍFICO
El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:
En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final..
Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg•K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: kcal/kgºC.
También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico como:
De ahí se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m).
Su unidad en SI es el joule por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol•K)

Ecuaciones básicas

El calor específico medio (\hat c) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas \Delta T\, se define en la forma:
\hat c = \frac{Q}{m \,\Delta T}
donde Q\, es la transferencia de energía en forma calorífica en el entre el sistema y su entorno u otro sistema, m\, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y \Delta T\, es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico (c\,\!) correspondiente a una temperatura dada T\,\! se define como:
c = \lim_{\Delta T \to 0} \frac{Q}{m \,\Delta T} = \frac {1}{m} \frac{\mathrm d Q}{\mathrm d T}
El calor específico (c \,\!) es una función de la temperatura del sistema; esto es, c(T)\,\!. Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función c(T)\,\!, la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial Ti a la final Tf se calcula mediante la integral siguiente:
Q = m \int_{T_\text{i}}^{T_\text{f}} c \, \mathrm d T
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
Q \approx m c \Delta T

Cantidad de sustancia

Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en química, sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia.6 Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar para referirse de manera explícita a la medida; o bien usar el término calor específico másico, para indicar que se usa una unidad de masa.

 Conceptos relacionados

Hay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor específico y éstas se denotan con sufijos en la letra c. El calor específico de los gases normalmente se mide bajo condiciones de presión constante (Símbolo: cp). Las mediciones a presión constante producen valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante (cv), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansión.
El cociente entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinámico se denomina coeficiente adiabático y se designa mediante la letra griega \gamma\, (gamma).7 Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.
El calor específico de las sustancias distintas de los gases monoatómicos no está dado por constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura.nota 2 Por lo tanto, debe especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición. Así, por ejemplo, el calor específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·K) para la temperatura de 34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/(g·K) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del agua varía menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(g·K) a 15 °C, por lo que a menudo se le considera como constante.
La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y líquidos.

 Unidades

Unidades de calor

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas. La caloría se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C.8 Es decir, tiene una definición basada en el calor específico.

Unidades de calor específico

En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g-1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal·g-1·K-1 en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).
En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón de Unidades, en aplicaciones no científicas, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).
La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.


lunes, 12 de septiembre de 2011

MEDICION DE LA TEMPERATURA


Temperatura
Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo
Diferentes efectos producidos por la temperatura
  1. Aumento de las dimensiones (Dilatación).
  2. Aumento de presión o volumen constante.
  3. Cambio de fem. inducida.
  4. Aumento de la resistencia.
  5. Aumento en radiación superficial.
  6. Cambio de temperatura.
  7. Cambio de estado sólido a liquido.
  8. Cambio de calor
Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura observando los efectos de los cuerpos.
Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de todo trabajo científico.
Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión mas común es de °C a °F.
t(°C)=t(°F)-32/1.8 °F=1.8 t°C +32


 video de la medicion de la temperatura

 
Relación entre escalas de temperatura
Unidades de Temperatura
Escala Cero Absoluto Fusión del Hielo Evaporación
Kelvin
Rankine
Reamur
Centígrada
Fahrenheit
0°K
0°R
-218.5°Re
-273.2°C
-459.7°F
273.2°K
491.7°R
0°Re
0°C
32°F
373.2°K
671.7°R
80.0°Re
100.0°C
212.0°F
 
Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento.
La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor de esa energía.
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:
  1. TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento.
  2. SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y después en movimiento).
  3. TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica (y mediante un circuito en movimiento)
 
 
 
Termómetros
  1. De Alcohol
  2. De Mercurio
  3. Bimetálico
Elementos Primarios de medición de temperatura
Sistemas Termales
  1. Liquido (Clase I)
  2. Vapor (Clase II)
  3. Gas (Clase III)
  4. Mercurio (Clase IV)
 
Termoeléctricos
  1. Termopar
  2. Resistencia
  3. Radiación
  4. Optico
 
Termómetros
Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura.
El termómetro de liquido en vidrio es uno de los tipos mas comunes de dispositivos de medición de temperatura y sus detalles de construcción , se muestra en la figura siguiente.
 
Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión mas alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el liquido y los márgenes de temperatura deseados para el termómetros.
Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.
Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetalica se conectan juntos 2 piezas de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivo mostrado en la figura siguiente.
Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de calculo par las cintas bimetalicas. El radio de curvatura puede calcularse como:

t = espesor combinado de la cinta ligada.
m = razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión.
n = razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión.
a 1 =coeficiente mas bajo de expansión.
a 2 =coeficiente mas alto de expansión.
T = temperatura
To = temperatura inicial de la ligadura.
Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.
Material Coeficiente de expansión
térmica x °C
Modulo de elasticidad PSI lb/plg2 GN/m2
Invar
Latón amarillo
Monel -400
Inconel -702
Acero inox. -3/6
1.7x10-6
2.02x10-5
1.35x10-5
1.25x10-5
1.6x10-5
21.4x106
14x106
26x106
31.5x106
28x106
147
96.5
179
217
193
CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES MENCIONADOS
Los 6 termopares mas frecuentemente usados en la practica son:
Positivo Tipo Negativo
Cobre
Hierro
Cromel
Cromel
Platino +13% Radio
Platino +10% Radio
T
J
E
K
R
S
Constantán
Constantán
Constantán
Alumel
Platino
Platino
La clasificación por tipos a sido elaborado por la SAMA y adoptado por la ISA.
Cobre - Constantán (T)
Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes.
Hierro - Constantán (J)
Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre. Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado.
Cromel - Constantán (E)
Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes.
Cromel - Alumel (K)
El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del alambre usado. Este tipo de termopares presta un servicio optimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.
Platino - Radio (R y S)
Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de 1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares.
Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. pequeños por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.
Tungsteno - Tungsteno y Renio
Este tipo de termopares es recomendado para las mismas temperatura, que los de tungsteno - renio. La diferencia esta en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.
 
Calibración de Termopar
Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un determinado tipo de termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en varios factores, tales como el rango de temperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. y el medio ambiente en que el termopar va a ser instalado.
LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR
Tipo de Termopar
Temperatura
 
Temperatura
Máxima
 
 
 
Mínima
CAL
CAL
CAL
CAL
CAL
Tipo T, Cobre - Constantán
Tipo J, Fierro - Constantán
Tipo E, Cromel - Constantán
Tipo K, Cromel- Alumel
Tipo R y S, Platino - Platino 13% o 10% Radio
Platino 30% (Radio 6% - Platino)
Iridio 40%, 60% Radio - Iridio
Tungsteno - Renio
Tungsteno - Tungsteno (26% Renio)
-185
-17
-185
-17
-17
-17
-17
-17
-17
760
870
1260
590
650
1100
260
480
535
980
205
370
425
870
1480
1760
1980
2200
2310
205
370
425
870
 
Cables de Extensión
El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con una clase de aislante de acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar de los cables de extensión que podrían usar los mismos alambres de los cuales consisten los termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo:
En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se usan otros metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas iguales o semejantes al de los termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la junta de referencia del instrumento.
Tipo de Termopar
 
Cable de Extensión
 
 
 
Positivo Negativo
J JX Cobre Constantán
T TX Hierro Constantán
 
KX Cromel Alumel
K VX Cobre Constantán
 
WX Hierro
 
R, S SX Cobre Aleación especial de Cobre - Níquel
 
Tipo de Termopar Cable de extensión Polo
Positivo
Polo
Sensitivo
Envoltura
Exterior
T TX AZUL ROJO AZUL
J JX BLANCO ROJO NEGRO
F FX AMARILLO ROJO AMARILLO
K KX CAFÉ ROJO ROJO
W WX VERDE ROJO BLANCO
R, S SX NEGRO ROJO VERDE
Pirómetros de Radiación
Hasta ahora se ha visto instrumentos que miden la temperatura por calentamiento directo el elemento medidor, los pirómetros de radiación no necesitan estar en contacto intimo con el objeto caliente, el instrumento propiamente dicho es igual al potenciómetro al balance continuo, pero en vez de termopar se usa una termopila. Este aparato utiliza la ley de Stephan Voltzmann de energía radiante lo cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la 4ta potencia de su temperatura absoluta:
QB=KT4
QB = Energía emitida por un cuerpo
T= Temperatura absoluta (°K)
K= Constante de Stephan Voltzmann = 4.92x10 Kcal/m2
Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocada en el foco de la lente (cóncava); generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo.
Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyas juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la figura.
Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación.
 
Pirómetro Optico
Cuando la energía radiante es a la vez luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar la intensidad de la luz a la que esta expuesta.
Este instrumento tiene 2 Fotoceldas conectadas en un circuito electrónico y el galvanómetro es sustituido por un bulbo.
Una fotocelda es expuesta al cuerpo caliente y la otra a una fuente luminosa, normalmente una lampara de filamento de carbón. Al recibir la primera fotocelda el choque de la luz cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de dicha luz variando la corriente de placa del bulbo, Esto hace que aumente o disminuya la corriente de la lampara que ilumina la segunda fotocelda, llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente.
Normalmente se usan filtros para disminuir los efectos de los gases o vapores interpuestos entre el objeto caliente y el instrumento.
Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocad en el foco de la lente; (cóncava) generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo.
Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas, la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyo juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la siguiente figura.
 
Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación.
Termoposo
Es muy importante que el termopar no toque la pared del termoposo.
 
CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO
  • Que sea resistente a la temperatura.
  • Acción de gases oxidantes y reductores.
  • Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de energía rápida.
  • Resistente a los cambios bruscos de temperatura.
  • Resistente a los esfuerzos mecánicos.
  • Resistente a la corrosión de vapores ácidos.
 
MATERIAL DE TERMOPOSOS
Hierro Fundido - Dulce y Acero
Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras.
Hierro - Cromo
Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre.
Hierro Cromo - Níquel
Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.
Acero Inoxidable 304-316
Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.
Existen termoposos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores.
El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.
 
Escalas de temperatura aplicables
 
Exactitud aproximada
 
Respuesta
 
 
Dispositivo °F °C °F °C transitorios Costo Notas
Termómetro de liquido en vidrio
 
 
 
 
 
 
 
a. Alcohol
-90 a 150 -70 a 65 ± 1 ± 0.5 Mala Bajo
Usados como termómetros baratos para temperaturas bajas.
b. Mercurio
-35 a 600 -40 a 300 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable
Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
c. Mercurio lleno con gas
-35 a 1000 -40 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable
Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
Termómetro de expansión de fluido
 
 
 
 
 
 
 
a. Liquido o gas
-150 a 1000 -100 a 550 ± 2 ± 1 Mala Bajo
Ampliamente usados en las mediciones industriales de temperatura.
b. Presión de vapor
20 a 400 -4 a 200 ± 2 ± 1 Mala Bajo
 
Cinta bimetálica
-100 a 1000 -70 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Bajo
Ampliamente usados como dispositivos simples de medición de temperatura
Termómetro de resistencia eléctrica
-300 a 1800 -180 a 1000 ± 0.005 ± 0.0025 De regular a bueno Caro
El mas exacto de todos los métodos
Termistor
-100 a 500 -70 a 250 ± 0.02 ± 0.01 Muy bueno Bajo
Util para los circuitos compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse en tamaños muy pequeños.
Termopar
Cobre - Constantán
-300 a 650 -180 a 350 ± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo
 
Termopar
Hierro - Constantán
-300 a 1200 -180 a 650 ± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo
Superior en atmósferas reductoras
Termopar
Cromel - Alumel
-300 a 2200 -180 a 1200 ± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo
Resistente a la oxidación a temperaturas altas
Termopar
Platino - Platino con 10% de sodio
0 a 3000 -15 a 1650 ± 0.5 ± 0.25 Buena Alto
Salida baja; el mas resistente a la oxidación a temperaturas altas
Pirómetro óptico
1200 más 650 más ± 20 ± 10 Mala Medio
Ampliamente usado en medición de temperaturas en hornos industriales.
Pirómetros de radiación
0 más -15 más ± 0.5 °C bajos alcances, 2.5 a 10°C a alta
 
Buena Medio a alto
Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están en continuo desarrollo