021-01-APU-F_Calor_2015

CM2

Curso 2015

ENRICH – CREUS – CARNICERO UNIDAD 5 - Recopilación Teórica

Nivel 1 Calor | 2015

CALOR CONTENIDOS INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 2 1. CALOR Y TEMPERATURA ............................................................................................................................... 2 2. LA MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA.......................................................................................................... 4 3. LA EXPANSIÓN TÉRMICA DE LOS SÓLIDOS............................................................................................. 5 4. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DEL CALOR ................................................................................... 7 4.1 TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONDUCCIÓN ................................................................................................ 7 4.2 TRANSMISIÓN DEL CALOR POR RADIACIÓN .................................................................................................. 10 Termografía .................................................................................................................................................. 11 4.3 TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN .............................................................................................. 12 4.4 TRANSMISIÓN DE CALOR POR EVAPORACIÓN DE AGUA .............................................................................. 13 Estados de agregación de la materia. ................................................................................................... 13 Fase. ............................................................................................................................................................... 13 Gas y Vapor. ................................................................................................................................................. 13 Evaporación y ebullición. ......................................................................................................................... 14 Calor Latente. ............................................................................................................................................... 14 Cambio de estado. ...................................................................................................................................... 14 Humedad relativa ambiente...................................................................................................................... 15 Pérdida de energía térmica por evaporación. ..................................................................................... 15 RESUMEN: PRINCIPALES FÓRMULAS DE LA UNIDAD ............................................................................. 16 TABLAS DE PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES ............................................................. 17

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INTRODUCCIÓN En esta unidad estudiaremos la dependencia de las propiedades de los materiales y de los cuerpos con la temperatura y las posibles maneras en que los cuerpos intercambian energía como consecuencia de diferencias de temperaturas entre ellos. Analizaremos el significado de algunos conceptos físicos básicos necesarios para resolver problemas térmicos sencillos que permitan lograr un uso eficiente de la energía disponible. En arquitectura, la solución a este tipo de problemas es de gran importancia para alcanzar el confort consumiendo la menor cantidad de energía posible. 1. CALOR Y TEMPERATURA Habitualmente decimos que un objeto posee una temperatura mayor que otro si al tocarlos sentimos al primero más caliente. El sentido del tacto nos proporciona una sensación de calor, un tipo de información cualitativa sobre el grado de calentamiento de los objetos que no es equivalente a conocer su temperatura. Al abrir la puerta de una heladera y tocar los objetos de su interior notaremos que los elementos de metal siempre se sienten más fríos que los de plástico o madera, a pesar de que todos poseen temperaturas similares. También podemos comprobar lo ambiguo e insuficiente que resulta utilizar el sentido del tacto como criterio para distinguir entre un cuerpo caliente y otro frío realizando la experiencia siguiente. “Colocar en un recipiente agua fría, en otro agua templada y en un tercero agua caliente. Si se introduce la mano izquierda en el agua fría y la otra en agua caliente sentiremos sensaciones de frío en la mano izquierda y de calor en la derecha. Si se retiran las manos y se las introduce inmediatamente en el recipiente de agua templada tendremos sensaciones contradictorias en cada mano: frío en la derecha y calor en la izquierda a pesar que se hallan sumergidas en el mismo recipiente”. Necesitaremos discutir el significado de algunos conceptos físicos para entender el comportamiento térmico de los materiales. Comenzaremos definiendo algunos términos antes de discutir el significado físico de calor y temperatura. Dos amigos deciden ir a pescar el fin de semana y compran un recipiente de poliestireno expandido (EPS) para almacenar sus bebidas. Uno de ellos introduce seis latas de gaseosas a temperatura ambiente y agrega sobre ellas otras seis muy frías que saca de la heladera. Luego de varias horas, abren el recipiente y comprueban que ya no hay ninguna lata fría en el interior. Las latas del fondo de la conservadora se han enfriado y las que se apilaron sobre aquellas se han calentado en igual proporción. Esta situación final de equilibrio ocurriría aún si pudiésemos contar con un recipiente ideal de paredes adiabáticas1 siempre que los cuerpos en su interior puedan intercambiar energía térmica entre sí, es decir se hallen en contacto térmico. Dos cuerpos están en contacto físico si las superficies de ambos se hallan tocándose. Mientras que el contacto térmico entre ellos se establece si es posible que intercambien calor entre ellos. Dos cuerpos pueden estar en contacto térmico sin estar en contacto físico. ¿Puedes dar un ejemplo de la vida cotidiana? 1

Una pared adiabática es aquella que impide la transferencia de calor.

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Equilibrio térmico es el estado final hacia el cual tienden naturalmente los objetos que se hallan en contacto térmico. En este estado de equilibrio no existe un intercambio neto de energía térmica entre los objetos que se hallan en equilibrio térmico y la temperatura de todos es la misma. Podemos describir este fenómeno enunciando la Ley del Equilibrio Térmico: “Si dentro de un recipiente aislador2, dos objetos A y B se encuentran en equilibrio térmico y además B se encuentra en equilibrio térmico con un tercero C, entonces A se hallan en equilibrio térmico con C”. Temperatura ¿Qué información tenemos cuando conocemos la temperatura de un cuerpo? La temperatura es una propiedad de los cuerpos que permite determinar si cada uno de ellos está en equilibrio térmico con los demás: Si varios cuerpos se hallan en equilibrio térmico entonces sus temperaturas son iguales. En física, “la temperatura absoluta (T) de un cuerpo se define como una magnitud proporcional a la energía cinética promedio de sus constituyentes microscópicos. Calor Este término se refiere al proceso de transferencia de energía de un cuerpo a otro a causa de la diferencia de temperatura que existe entre ambos. También se utiliza este término para indicar la cantidad de energía transferida de este modo. Es correcto afirmar que el calor fluye de las zonas de mayor temperatura hacia las zonas de menor temperatura hasta que la transferencia neta de energía entre ellos cesa, cuando los cuerpos alcanzan el equilibrio térmico. Carece de sentido hablar de la cantidad de calor contenida en el interior de un cuerpo. El flujo de calor genera cambios en las propiedades de los cuerpos involucrados. Desde un punto de vista microscópico, decimos que cuando un cuerpo absorbe calor de su entorno se incrementa la energía de sus constituyentes (átomos o moléculas), y desde un punto de vista macroscópico, diremos que aumenta su temperatura. Este proceso de absorción de calor cesará naturalmente cuando el cuerpo alcance el equilibrio térmico con su entorno. Inversamente, cuando un cuerpo cede calor a su entorno diremos que reduce su temperatura. Unidad asociada al calor Una unidad de energía relacionada con los procesos térmicos es la caloría (cal), la cual representa la cantidad de energía necesaria que se debe transferir a un gramo de agua para elevar su temperatura desde 14,5 °C a 15,5 °C. En las Ciencias e Ingeniería esta forma de transmisión de energía (el calor) se expresa generalmente en unidades de Joule (J): 1 cal = 4,186 Joules.

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Un recipiente aislador perfecto posee paredes fijas, impermeables y adiabáticas.

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2. LA MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Un termómetro es un dispositivo que permite medir la temperatura de un objeto cuando se halla en equilibrio térmico con él. Para diseñar un termómetro se utiliza alguna propiedad física que varíe significativamente con la temperatura: el volumen de un líquido, la longitud de un sólido, el color de un objeto, la resistencia de un conductor eléctrico, la presión o el volumen de un gas, etc. La calibración del termómetro se realiza poniéndolo en equilibrio térmico sucesivamente con dos o más sistemas naturales que permanezcan a temperatura constante (por ejemplo, la coexistencia de hielo y agua se produce siempre a 0°C y a nivel del mar el agua pura hierve a 100°C). Estos valores de temperatura se los denomina “puntos fijos de la escala termométrica”. En la escala de temperaturas Celsius o centígrada el punto fijo inferior, correspondiente al punto de fusión del hielo a una atmósfera de presión, se define como cero grado Celsius (0°C) y su punto fijo superior, correspondiente al punto de ebullición del agua a la misma presión, se define como cien grados Celsius (100°C). De acuerdo con el SIMELA, la temperatura dentro de nuestro territorio nacional debe expresarse en unidades de grados Celsius o grados centígrados. Un termómetro muy utilizado en la actualidad consiste en un tubo de vidrio cerrado y muy estrecho que se denomina capilar, con un bulbo en un extremo que contiene una masa líquida usualmente de mercurio3 o alcohol. Para establecer, por ejemplo, la escala centígrada en el termómetro de mercurio se lo coloca en equilibrio térmico con una mezcla de hielo y agua a una atmósfera de presión y se marca la altura de la columna de mercurio en el tubo. Posteriormente, se coloca al termómetro en equilibro térmico en agua hirviendo y debido a que el mercurio se dilata más que el vidrio se marca la posición del nuevo nivel del mercurio. El espacio en el tubo de vidrio comprendido entre ambas marcas se divide en 100 partes iguales. Tomando como unidad esta división se extienden las mismas por encima y por debajo de las primeras marcas que corresponden a cero y a cien grados centígrados. Otras escalas de temperaturas de uso frecuente son la escala termodinámica, absoluta o de Kelvin del Sistema Internacional de unidades (SI) y la escala Fahrenheit empleada en Estados Unidos de América y en el Reino Unido principalmente. La conversión de unidades entre las escalas mencionadas es: tC T − 273 K t F − 32 º F = = 100 º C 100 K 180 º F Aquí los símbolos tC, T y tF representan la temperatura expresada en grados centígrados, grados Kelvin y grados Fahrenheit respectivamente. El proceso de la medición de la temperatura de un cuerpo se realiza poniendo en contacto al termómetro con el cuerpo cuya temperatura se desea medir y esperando que se logre el equilibro térmico. En el caso del termómetro de mercurio, la posición de la columna del líquido indicará la temperatura del termómetro que es la misma que la del cuerpo que se halla en contacto. 3

La resolución ministerial 274/10 prohíbe los tensiómetros con mercurio debido a los graves impactos sanitarios y ambientales que genera la contaminación con mercurio del medioambiente y su potencial ingreso en la cadena alimentaria humana".

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3. LA EXPANSIÓN TÉRMICA DE LOS SÓLIDOS La expansión térmica o dilatación es el fenómeno físico por el cual un cuerpo experimenta un aumento de su volumen a medida que incrementa su temperatura. Este fenómeno es de gran importancia en la elección de juntas para materiales que experimentan grandes cambios de temperatura: pavimento, baldosas, ladrillos de revestimiento de frentes, ladrillos refractarios, vidrios de gran superficie, etc. También la dilatación de los materiales es un problema importante a tratar durante el diseño de estructuras metálicas externas que estarán sometidas a ciclos térmicos de gran amplitud durante el año. En la imagen de la derecha se puede ver un vagón de ferrocarril descarrilado como consecuencia de la deformación de la vía por efecto de la dilatación de los rieles. Consideremos una varilla de longitud inicial Lo a la temperatura to que cuando aumenta su temperatura de To a T se expande una longitud ∆L=L-Lo.

Lo

∆L L

Experimentalmente se observa que la expansión ∆L: - es proporcional a la longitud inicial de la varilla Lo, - es proporcional a su cambio de la temperatura ∆T=T-To - varía con el material. Consideremos el cociente entre la variación relativa de la longitud (∆L/Lo) y la variación de la temperatura (∆T) que la causó. Para cambios pequeños de temperatura, este cociente depende del material y define el coeficiente promedio de expansión lineal (α) del material: 1 ∆L α= L0 ∆T Entonces, la dilatación de una varilla delgada puede expresarse como: ∆L = α L0 ∆T Es importante tener en cuenta que todas las dimensiones de un cuerpo (largo, ancho y alto) cambian con la temperatura, por lo que no sólo la longitud del mismo, sino también la superficie y el volumen sufren dilataciones.

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El coeficiente promedio de expansión superficial (β) de una superficie de material homogéneo4 e isotrópico5 es aproximadamente igual al doble del coeficiente de dilatación lineal del material. Luego, la dilatación de una superficie es: ∆S = β S0 ∆T

(β ≈ 2α, para α ∆T