Tema 6: Energía térmica

Tema 6: Energía térmica Energía térmica y temperatura En nuestra vida cotidiana empleamos con frecuencia términos como calor o temperatura. En este apartado vamos a aprender que en la Ciencia, a diferencia de lo que ocurre en el lenguaje cotidiano, ambos conceptos no significan lo mismo. También aprenderemos la relación que estos conceptos tienen con la energía. La energía térmica (o energía calorífica) es la que poseen los cuerpos debido al movimiento de las partículas que los forman. Por eso, este movimiento también se llama agitación té rmica. La energía térmica que posee un cuerpo no se puede medir y tampoco calcular, puesto que es imposible conocer los detalles del movimiento de cada una de la inmensa cantidad de partículas que forman un cuerpo (por pequeño que éste sea). Sin embargo, la agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo está relacionada con su temperatura. Cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor es la agitación térmica y la cantidad de energía térmica que posee.

Calor y te mperatura Al poner en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, podremos comprobar como, al cabo de cierto tiempo (más o menos largo, según el caso) ambos cuerpos terminan por tener la mis ma temperatura. En ese momento, los físicos dicen que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. Para llegar al equilibrio térmico el cuerpo caliente transfiere calor al más frío. Ideas básicas: El calor no es algo que posean los cuerpos. El calor se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos. El calor y la temperatura no son lo mismo. 1

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Unidades de medida La unidad de calor en el Sistema Internacional, como del resto de las energías, es el julio (J). Sin embargo, es frecuente que el calor se mida en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), como se puede ver en la información nutricional de la etiqueta de los alimentos. En el GLOSARIO puedes ver Algo más sobre las unidades de medidas

Equivalencia entre el julio y la caloría 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J

La temperatura es sólo la magnitud que miden los termómetros y se mide en grados. ?

En nuestra vida cotidiana, usamos el grado centígrado o Celsius (ºC).

En el GLOSARIO puedes ver Una curiosidad sobre los grados Celsius ? ?

En los países anglosajones emplean el grado Farenheit (ºF). En el Sistema Internacional se emplea el kelvin (K).

Autoevaluación El movimiento incesante de las partículas que forman un cuerpo se llama a) Temperatura. b) Agitación térmica. c) Calor.

Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando a) Están a la misma temperatura. b) Contienen la misma cantidad de calor. c) Contienen la misma cantidad de partículas.

El calor, como energía que es, se mide en a) Kelvin. b) Watios. c) Julios.

Los termómetros se emplean para medir a) El calor. b) La energía térmica. c) La temperatura.

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Calor absorbido y calor desprendido De nuevo tienes que coger tu material de matemáticas (calculadora, lápiz y papel) y ponerte manos a la obra. Si lo vas haciendo al mismo tiempo que lo ves lo comprenderás mucho mejor. Variable

Unidad

Q ab s calor absorbido

Julios

m

Kilogramos

masa

J kg

C e calor específico

Julio/ kg·º kelvin

tf

temperatura final

º kelvin

K

ti

temperatura inicial

º kelvin

K

J/kg·K

Se ha comprobado experimentalmente que el calor absorbido o desprendido por un cuerpo se calcula con la fórmula:

Qabs = m · Ce · (tf - ti ) Recordemos que el calor específico dependerá de la materia a la que se le quiere calcular el Calor absorbido o desprendido, aquí tienes un enlace a una tabla que recoge los datos sobre el Calor específico de los materiales más comunes. Puedes experimentar con una escena interactiva que compara el calor específico del agua y el alcohol. Los datos aparecen en calorías, gramos y ºC que son las unidades más comúnmente usadas.

Para saber más: En este enlace tienes los valores del calor específico de cada uno de los elementos de la tabla periódica: http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/properiodicas/calorespecifico.html (en la figura de arriba tiene algunos valores) Conversión de....

.......a

Fórmula

Kelvin

Grados Celsius

ºC = ºK -273

Grados Celsius

Grados Kelvin

ºK = ºC+273

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Ejemplo 1: Un trozo de hierro de 200 gramos de masa que se encuentra a 30 ºC, se calienta hasta alcanzar 80 ºC ¿Qué cantidad de calor ha absorbido o desprendido? Convertimos los gramos en kg, y los ºC en ºK: 200 g equivalen a 0,2 kg , 30 ºC a 303 ºK y 80 ºC equivalen a 353 ºK Observa que era indiferente el cambio de unidad de ºC a ºK ya que la diferencia de grados es la misma 50

Qabs = 0,2 kg · 450 J/(kg · ºK) ·(353 ºK - 303 ºK) = = 0,2 kg · 450 J/(kg · ºK) ·50 ºK = 4500 J

El trozo de hierro ha absorbido 4500 J

Autoevaluación Calentamos un balín de plomo de masa 400 g desde 10 ºC hasta 90 ºC ¿Qué cantidad de calor absorberá el balín de plomo al calentarse? a) 4128 Julios b) 4128000 Julios c) 14400 Julios ¿Qué cantidad de calor desprenderán 500 gramos de agua al enfriarse desde 100 ºC hasta 0 ºC? a) 209000 Julios

b) - 209000 Julios c) 209 millones de Julios

Ejemplo 2: Un trozo de hierro de 200 gramos de masa que se encontraba a 200 ºC, desprende al enfriarse una cantidad de calor correspondiente a 3000 Julios ¿Qué temperatura tiene ahora? El calor desprendido tendrá signo negativo, ya que representa una pérdida -3000 J = 0,2 kg · 450 J/(kg · ºK) ·(tf - 303 ºK) para no complicar los cálculos nos olvidamos por un momento de las unidades: -3000 = 90 · (tf - 303) ? -3000 = 90 · tf – 27270 ? -3000 + 27270 = 90 · tf ? 24270 = 90 · tf

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Convertimos los K en ºC y así tenemos que la temperatura del trozo de hierro es de -3,33 ºC. Para repasar la ecuación de primer grado con paréntesis, puedes ver la dirección:

Autoevaluación ¿Qué temperatura en ºC alcanzan 100 gramos de oxígeno a 15 ºC al absorber 1804 Julios de calor? a) 20 ºC b) -20 ºC c) 35 ºC Despeja la variable g de la fórmula

Seguimos rellenando tablas, en este caso referidas al calor desprendido o absorbido por un vaso de vidrio (calor específico del vidrio 800 J/(kg-ºK)). Ten cuidado con las unidades.

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Estos datos pueden representarse en una gráfica con lo que obtendremos una información visual de cómo se relacionan las variables.

Consideramos la tabla asociada a la Temperatura alcanzada por una vasija de cobre (calor específico del cobre 383 J/(kg·K) ) de 0,2 kg al que estamos calentando desde una temperatura ambiente de 10ºC hasta que alcanza los 100ºC Podemos observar una relación afín entre el calor que absorbe la vasija y la temperatura que alcanza. El mínimo valor alcanzado es de 10ºC y a partir de ahí va aumentando proporcionalmente.

Qab s

Tem. final

0 Julios

10 ºC

766 Julios

20 ºC

3064 Julios

50 ºC

6894 Julios

100 ºC

Esta relación se observa con la representación gráfica ya que siempre que ocurra esto el "dibujo" resultante será una recta que no pasa por el origen de coordenadas.

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Autoevaluación Asocia cada fórmula con su gráfica correspondiente. A continuación se presentan las fórmulas seguidas de las opciones a la que corresponden: Opción 1:

Opción 2: Opción 3: Opción 4:

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¿CÓMO SE RESUELVE UN PROBLEMA?

Fase 0. Lectura comprensiva del enunciado Fase 1. Elección de incógnitas Fase 2. Planteamiento/traducción Fase 3. Resolución de la ecuación o sistema. Fase 4. Solución de la ecuación. Fase 5. Solución del problema. Fase 6. Comprobación

" Dentro de 11 años. la edad de Pepe será la mitad del cuadrado de la edad que tenía hace 13 años. Calcula su edad actual" x = edad actual de Pepe; x + 1 1 = edad de Pepe, hace 13 años;

x-1 3 = e d ad de Pepe hace 13 años.

TRADUCCIÓN:

SOLUCIÓN DEL PROBLEM A:

Pepe tiene actualmente 21 años. (Hay que des c artar la solución "7 años", ¿por qué?)

C O M P R O BA C I Ó N : Hace 13 años tenía 8 añitos. La mitad del cuadrado de 8 es 32, justo la edad que tendrá dentro de 11 años.

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Tarea 1.6: Energía térmica En esta tarea vas a tener que realizar algunos cálculos que nos ayuden a medir el gasto de energía que hacen Belén y Teresa en algunas de sus actividades cotidianas. Primera parte: Belén es muy friolera; le gusta darse un baño con el agua muy caliente ¡a 50ºC! incluso en verano, cuando el agua sale del grifo del agua “fría” a 18ºC. Además, disfruta con la bañera bien llena, y tiene una de esas bañeras grandes, de las que pueden contener fácilmente 180 L de agua.

Las costumbres de Teresa son algo diferentes. Ella gusta de la ducha templada, a no más de 35ºC, incluso en invierno, cuando la temperatura “normal” del agua no pasa de los 15ºC. Se ducha rápido y, estima (porque, aunque lo tiene pensado, aún no lo ha medido) que en cada ducha utiliza unos 50 L de agua. ? Completa en el documento que se adjunta, basándote en los contenidos del tema.

? Supongamos que la mitad del año es verano (agua del grifo a 18ºC) y la otra mitad invierno (agua del grifo a 15ºC), Completa la siguiente tabla, referida a la energía que Teresa y Belén emplean para calentar el agua de su ducha/baño : Energía empleada

BELÉN

TERESA

En un mes de verano En todo el verano En un mes de invierno En todo el invierno En un año completo

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? ¿Cuánto ahorro de energía al año suponen las costumbres de Teresa frente a las de Belén?

Segunda parte:

Belén por las mañanas calienta su vaso de leche en al microondas 1. ¿cuál es el calor específico de la leche en J/kg?

Ayuda: Alimento

Calor específico en kcal/kg

Carne

1797

Pescado

836

Huevo

1649

Leche

668

2. Para calentar 250 g de leche desde 15ºC hasta 45ºC ¿qué cantidad de calor se necesita? ? Belén descubrió que necesitaba 34240 julios de energía para calentar 40 ºC un vaso de 200 cl de agua (cuya masa es 200 g). Se trata de encontrar el calor específico del agua. Para eso tienes una serie de indicaciones en el siguiente cuadro:

A partir de la fórmula Qabs = m · Ce · (tf – ti) obtienes la ecuación que te ayudará a encontrar el calor específico del agua. Debes explicar o describir, paso a paso, el proceso.

? Para conseguir los 34240 julios de energía que necesitaba Belén para calentar el agua, podía programar el microondas a 400 kW de potencia durante aproximadamente 85,6 segundos (un poco más de un minuto y medio). Sabiendo que la relación entre la potencia y el tiempo es de propo rcionalidad inversa, y que el Trabajo o Energía es igual al producto de la Potencia por el tiempo, completa la siguiente tabla Potencia

Tiempo

400 kW 800 kW 900 kW

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? ¿Cuál de estas gráficas muestra la relación entre la potencia y el tiempo necesario para conseguir los 34240 julios necesarios de Energía? Explica por qué.

GLOSARIO Unidades de medida Al igual que cualquier lengua, el lenguaje científico tiene sus reglas de ortografía. Aquí te recordamos dos de ellas: ? ?

El prefijo “kilo”, delante de una unidad, significa “mil”, y se simboliza con una k minúscula. Así, se escribe 1 km y significa 1000 m, o 1 kg y significa 1000 g. Cuando el nombre de una unidad hace honor a una persona (normalmente un científico) la unidad se escribe en minúscula y su símbolo se escribe con mayúscula. Así, debemos escribir N para la unidad newton, o J para la unidad julio.

Busca en etiquetas de alimentos la información relativa a su contenido energético, y fíjate cómo vienen expresadas las unidades. ¿Crees que debe ser igual de importante una falta de ortografía en el lenguaje científico que en el lenguaje “normal”? Los grados Celsius La escala Celsius de temperatura fue propuesta por el físico sueco Anders Celsius a mediados del siglo XVIII. Desde sus inicios, se llamó escala centígrada porque dividía el intervalo entre la temperatura a la que funde el hielo y la temperatura a la que hierve el agua en 100 partes iguales, a diferencia de la escala Farenheit, que lo hacía en 180 partes iguales (y por lo tanto no era una escala centígrada) El término “grados centígrados” para referirse a la temperatura medida con esta escala se mantuvo oficialmente hasta 1948. En esta fecha, se cambió por el término “grados Celsius”, haciendo honor al inventor de esta escala y para evitar confusiones con los grados centígrados empleados entonces en la medida de ángulos (ahora llamados grados centesimales). No obstante, coloquialmente sigue utilizándose la expresión “grados centígrados” 11