Integración: SEMESTRE AGOSTO 2021-ENERO 2022 de FÍSICA II (Semana del 16 al 19 de Noviembre)

Actividades de la semana del 15 al 19 de Noviembre.

Calorimetría.

Los términos de calor y temperatura están muy ligados, sin embargo no son lo mismo:

a) La temperatura es la magnitud física que nos indica que tan frio o caliente esta una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón, es una propiedad intensiva ya que no depende de la cantidad de masa de la sustancia, depende del estado de agitación de las moléculas, o sea, del valor de la energía cinética media o promedio de las moléculas del cuerpo o del sistema, por ello se considera que las moléculas no tendrían energía cinética traslacional a la temperatura conocida como cero absoluto y que corresponde a cero grados Kelvin o menos 270 grados centígrados.

b) Cuando tocamos una sustancia y decimos que se siente frio es porque le estamos pasando energía en forma de calor, el calor es energía en transito, es la magnitud física o parámetro que describe las interacciones de un sistema con otro ya que corresponde ala cantidad de energía que se trasfiere de un sistema a otro; de forma concluyente “todo cuerpo o sistema, debido a su temperatura, tiene la capacidad de transferir energía a otro cuerpo o sistema que esté a más baja temperatura.

Potencial térmico y energía calorífica

Al colocar un cuerpo caliente junto a uno frio veremos que al pasar el tiempo el primer cuerpo se enfría y el segundo se calienta. Si el cuerpo caliente lo está demasiado o dicho de otra forma su potencial térmico es alto le permite ceder calor o energía calorífica a otro que se encuentre cercano a el, al transcurrir el tiempo amos cuerpos tendrán el mismo potencial térmico.

Medida de la temperatura y escalas termométricas.

Para medir la temperatura se utilizan los termómetros, los cuales aprovechan la propiedad de dilatación de las sustancias, los hay de fluidos como son los de mercurio, alcohol, etc., metálicos y en la actualidad existen los llamados digitales.

En cuanto a las escalas para medir la temperatura; Fahrenheit (soplador de vidrio alemán 1686-1736) construyo en1714 el primer termómetro, marcando el cero a una temperatura bajo que consiguió obtener con una mezcla de hielo y cloruro de amonio luego lo dividió al detectar la temperatura del cuerpo humano en 96 partes iguales, más tarde observo que al colocar su termómetro en hielo en fusión marco 32 grados y al colocarlo en agua hirviendo se podía leer 212 grados.

El biólogo sueco Andrés Celsius (1701-1744) en 1742 basó su escala en la fusión de hielo como el cero y el punto de ebullición del agua como el 100, a la presión de una atmosfera su escala tiene 100 divisiones iguales.

Años después el inglés William Kelvin (1824-1907) propone una nueva escala con base en la energía cinética de las moléculas seria a más baja temperatura, un grado Kelvin es igual a un grado Celsius, de tal manera que el cero grados Kelvin se encuentra a -273 grados Celsius.

Mientras que en la escala Fahrenheit existen los grados Rankin de tal manera que -2730 grados C son igual a -460 grados F.

a) Para convertir grados Celsius a Kelvin: ⁰K =⁰C +273

b) Para convertir grados Kelvin a Celsius: ⁰C= ⁰K-273

c) Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit: ⁰F=1.8 ⁰C+32

d) Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius: ⁰C=(⁰F-32)/1.8

Dilatación de cuerpos

El calentamiento en los cuerpos origina una dilatación y al enfriarse sufren una contracción, existen tres tipos de dilatación:

a) Dilatación lineal.- Una barra de cualquier metal sufre un aumento en sus tres dimensiones, sin embargo en las alambres, varillas , barras lo más importante es su incremento de longitud o su dilatación lineal. El coeficiente de dilatación lineal se define como el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro cuando su temperatura se eleva un grado Celsius.

Si conocemos el coeficiente de dilatación lineal podemos calcular la longitud final al despejar de la ecuación anterior:

b) Dilatación superficial.- Es el incremento de área:

c) Dilatación cubica:- Ésta implica el cambio en el largo, ancho y alto de un cuerpo.

El calor se propaga de tres formas:

a) Conducción.- Es la forma de propagación a través de un cuerpo solido debido al choque entre sus moléculas.

b) Convección.- Es la propagación del calor debido al movimiento de la sustancia.

c) Radiación.- ES la propagación de calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas, incluso en el vacío, a una velocidad de 300 mil km/s.

Unidades para medir el calor.

Como ya sabemos el calor es una forma de energía llamada energía calorífica, por lo que las unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecánico y de la energía:

a) Sistema internacional:

joule= newton metro=Nm= J

b) Sistema CGS:

ergio=dina centímetro=dina cm.

Aunque existen las unidades anteriores aún es muy común usar unidades como las calorías y el BTU:

a) Caloría.- ES la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado.

b) Kilocaloría.- como su nombre lo dice es un múltiplo de la caloría y equivale a 1000 calorias.

c) El BTU (British Termal Unit) En el sistema inglés:

1Btu= 252 cal= 0.252 Kcal

La equivalencia entre joules y calorías es la siguiente:

1 joule= 0.24 calorías Y 1 caloría = 4.2 J

Capacidad calorífica.- Esta se define como la relación que existe entre la cantidad de calor (∆Q) que recibe una sustancia y la correspondiente elevación de temperatura (∆T):

C= ∆Q/ ∆T

Calor especifico.- Como es logigico las sustancias tienen diferente capacidad calorífica y si obtenemos la relación C/m siendo m la masa de la sustancia, a esta propiedad se la llama calor especifico y es una propiedad característica de cada sustancia.

Por definición; el calor especifico ( Ce) de una sustancia es igual a la capacidad calorífica C de dicha sustancia entre su masa:

Ce=C/m y sabemos que C= ∆Q/ ∆T tenemos

Ce= ∆Q/m ∆T por tanto Q= mCe ∆T con esta relación podemos calcular el calor que recibe una sustancia cuando sufre un determinado incremento de temperatura.

De forma practica el calor especifico es la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celcius. En el caso del agua el Ce es igual a 1cal/g ^oC.

Estudia los siguientes ejemplos:

1.- Convertir 225 ^oC a ^oF.

Datos. Formula: Sustitución y cálculos: Resultado:

T= 225 ^oC ^oF = 1.8 ^oC + 32

T = x ^oF. ^oF = 1.8 (225) + 32 T = 437 ^oF

2.- Convertir 125 ^oF a ^oC

Datos. Formula: Sustitución y cálculos: Resultado:

T= x ^oC ^oC= (^oF – 32)/1.8

T = 125 ^oF ^oC= (125 – 32)/1.8 T = 51.67 ^o C

3.- Una cinta métrica de acero se calibra a 18 ^oC. Se mide un objeto y la lectura es de 61 m cuando la temperatura es de -12 ^oC. ¿Cuál es el error introducido por la diferencia de temperatura? El coeficiente de dilatación lineal del acero es de 1.2x10 ^-5 /^oC.

Datos: Formula: Sustitución: Resultado:

T₁= 18 ^oC ∆L=αL₁∆T ∆T = -12-18=-30

T₂= -12 ^oC ∆T= T₂- T₁ ∆L= (1.2x10 ^-5)(61)(-30) ∆L= -2.2cm

L₁= 61m

∆L = ¿? L₂= L₁+∆L= 6097.8 cm

1.2x10 ^-5

4.- Se suministran 10 kcal de calor a una muestra de madera de 1 kg y su temperatura se eleva de 20 a 44 ^oC. ¿Cuál es el calor específico de la madera?

Datos: Formula: Sustitución: Resultado:

Q=10 kcal Ce= ∆Q/m ∆T

M= 1kg Ce= 10/(1)(44-20) Ce= 0.42 kcal/kg^oC

T₂=44^oC

T₁= 20^oC

5.- ¿Cuánto calor se debe suministrar a 3 kg de agua para elevar su temperatura de 20 a 80 ^oC?

Datos: Formula: Sustitución: Resultado:

m= 3kg Q= mCe ∆T

T₁= 20^oC Q= (1)(1)(80-20) Q= 60 kcal

T₂= 80^oC

Ce = 1 kcal/kg^oC

6.- A 2.5 kg de agua a 4^oC se le agregan 1.5 kg de agua a 30 ^oC¿Cuál es la temperatura final de la mezcla?

Datos: Formula:

m₁= 2.5 kg Q₁=Q₂

T₁= 4 ^oC Si T es la temperatura final, entonces m₁ sufre un cambio de temperatura igual a

m₂= 1.5 kg T-T₁ y el cambio de temperatura que sufre m₂ es igual a T₂-T, luego:

T₂= 30 ^oC m₁Ce(T-T₁)= m₂Ce(T₂-T); Sustitución:

Ce= 1kcal/kg^oC (2.5)(1)(T-4)=(1.5)(1)(30-T)

2.5T-10=45-1.5T; 2.5T+1.5T=45+10; 4T=55 Resultado T=13.75^oC

Estudia los siguientes videos:

1.- Convertir grados celcius a Fahrenheit; duración 2.15

https://youtu.be/gHkn9zfXp3s

2.- Cómo convertir grados Fahrenheit a Centígrados; duración 10:56

https://youtu.be/2ur57ZuQA-M

3.- Conversiones de Temperatura | ºC↔ºF↔K↔ºC; duración 9:12

https://youtu.be/EDxvxc_MOoE

4.- Dilatación Térmica; duración 18:01

https://youtu.be/1S3vL4ia8AQ

5.- 121. Capacidad calorífica y calor específico; duración 8:45

https://youtu.be/vb48Ew0q5Zw

6.- CALOR NECESARIO PARA ELEVAR LA TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA; duración 4:46

https://youtu.be/409w3vfEYbA

7.- Cantidad de calor y calor específico video 1 | Física – Vitual; duración 27:11

https://youtu.be/kkwBuVpj8DY

8.- Calor cedido y absorbido; duración 2:47

https://youtu.be/wbWxeGE9Q0A

Resuelve los siguientes ejercicios, fecha de entrega jueves 18 de Noviembre: (reporta tus resultados en la tabla anexa.)

1.- ¿Cuál es la temperatura equivalente a 80^oF en la escala de ^oC?

2.-El nitrógeno se congela a -210 ^oC ¿Cuál es el equivalente de esta temperatura en ^oF?

3.- Un puente de acero mide 500 m de longitud a 0 ^oC . ¿Cuánto se dilata cuando su temperatura alcanza los 35 ^oC? El coeficiente de dilatación lineal del acero es igual a 1.2x10^-5 /^oC .

4.- ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrar a un bloque de hielo de 20 kg para elevar su temperatura de -20 a -5 ^oC? el calor especifico del hielo es igual a 0.5 kcal/kg^oC

5.- A 100 kg de agua que se encuentra a 80^oC se le agregan 10 kg de agua a 5 ^oC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? Ce_H2O= 1 kcal/kg^oC.