domingo, 29 de marzo de 2015

Lectura 29: Calor y calor específico

Calor es la cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.
Esta forma de energía se mide en calorías. Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Siendo una forma de energía, tiene un equivalente en julios que son las unidades en las que se mide la energía. 1cal = 4.18J
Tabla 1: calor específico de algunas sustancias
SustanciaCalor específico (cal/gr°C)
Agua1.00
Hierro0.113
Cobre0.093
Aire0.24
Vidrio0.199
La cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta, multiplicada por una constante que se denomina calor específico y que es propia de cada sustancia. La ecuación correspondiente es Q = mc∆t. donde Q es el calor transferido, m es la masa del cuerpo, c es el calor específico y ∆t es la variación de la temperatura (temperatura final menos temperatura inicial)
El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a la cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura. Sus unidades son cal/gr°C. La tabla 1, muestra la medida del calor específico de algunas sustancias.

Hagamos algunos cálculos:
Ejemplo 1: Calcular el calor necesario para elevar la temperatura de 20 gramos de hierro desde 15°C hasta 100°C.
Solución:
Q =?
m = 20gr
∆t = 100°C − 15°C = 85°C
c = 0.113 cal/gr°C

Aplicando la fórmula Q = mc∆t se tiene
Q = 20gr×0.113 cal/gr°C×85°C = 192.1cal
Ejemplo 2: El agua de un recipiente varía su temperatura de 12°C a 38°C, cuando se le transfieren 205 calorías. ¿Cuál es la masa de agua en el recipiente?
Solución:
Q = 205 cal
m =?
∆t = 38°C − 12°C = 26°C
c = 1.00 cal/gr°C

De la fórmula Q = mc∆t se tiene que

Entonces:


Actividad:
  1. ¿Qué es el calor y en qué unidades se mide?
  2. ¿En qué unidades se mide la energía?
  3. ¿Cuál es la equivalencia entre calorías y julios?
  4. ¿Qué es calor específico?
  5. Realice los siguientes ejercicios:
    1. ¿Cuál es el calor necesario para aumentar la temperatura de 25 gramos de vidrio desde 12°C hasta 23°C?
    2. ¿Cuál es la masa de un alambre de cobre que absorbe 234 calorías para aumentar su temperatura de 4°C hasta 18°C?
    3. ¿En cuánto varía la temperatura de 5 gramos de aire si al calentarse absorbe 155 calorías?
    4. ¿Cuál es el calor específico de una sustancia desconocida, si 30 gramos de ella, absorben 115 calorías cuando su temperatura aumenta de 20°C a 25°C?
Lectura 28: Dilatación lineal.

A la pregunta: ¿Qué longitud tiene la línea férrea que une Moscú con Leningrado?, alguien contestó:
En verano es unos trescientos cincuenta metros más larga que en invierno.
Esta inesperada respuesta no es tan absurda como parece.
Si admitimos que la longitud de la línea férrea es igual a la longitud total de los rieles, en verano tiene que ser, efectivamente, mayor que en invierno. No olvidemos, que los rieles, al calentarse, se alargan en algo más de una cienmilésima parte de su longitud por cada grado centígrado. Ahora, si tenemos en cuenta que la temperatura varía, aproximadamente, de 30°C en verano a -25°C en invierno (55°C de diferencia), La variación de la longitud será: 640 Km×0.00001×55°C = 0.352 Km = 352 m. Para evitar que la vía se destruya al dilatarse, se deja un espacio entre los extremos de los rieles que en este caso es de 6 milímetros a 0°C.
Junto a la vía férrea se extiende una línea telefónica de alambre de cobre, pero bajo las mismas condiciones de variación de temperatura, su longitud aumenta 500 metros en el verano, a diferencia de los 350 metros de los rieles de acero. Esto se debe a que cada material de dilata de manera distinta. A la proporción en la que un material se dilata se le llama coeficiente de dilatación y sus unidades son metros/grado centígrado. La tabla 1 muestra los coeficientes de dilatación lineal de 4 metales
Tabla 1: Coeficientes de dilatación de 4 metales
MetalCoeficiente de dilatación (α)
Plata
2.0 × 10-5
Cobre
1.7 × 10-5
Hierro
1.2 × 10-5
Acero
1.0 × 10-5
Si nos preguntan ahora, qué altura tiene la torre Eiffel, antes de contestar «300 metros», lo más probable es que preguntemos: — ¿Cuándo hace frío o cuándo hace calor?
Para calcular la longitud que adquiere un cuerpo cuando se dilata o se contrae, se utiliza la fórmula:
L = L0(1+α∆t)
Donde L es la longitud final (después del cambio de temperatura), L0 es la longitud inicial, α es el coeficiente de dilatación lineal y ∆t es la variación de temperatura (temperatura final menos temperatura inicial).
Ejemplo: Un alambre de plata mide 1.5 metros a 5°C. ¿Cuál será su longitud cuando la temperatura aumenta a 15°C?
Solución: se calcula la variación de la temperatura ∆t = 15°C − 5°C = 10°C. Y luego se aplica la fórmula.
L = L0(1+α∆t)
L = 1.5(1 + 2.0 × 10-5×10°C). Se multiplica 2.0 × 10-5×10°C = 2.0 × 10-4
L = 1.5(1 + 2.0 × 10-4) se realiza la suma indicada entre el paréntesis
L = 1.5(1.0002) se multiplica por 1.5
L = 1.5003 es decir que la longitud del alambre aumento en 3 diezmilésimas de metro.

Actividad:
  1. ¿A qué se llama coeficiente de dilatación?
  2. Escriba la fórmula para calcular la longitud que adquiere un cuerpo cuando se dilata o se contrae
  3. Realice los siguientes ejercicios:
    1. A 0°C, la altura de la torre Eiffel, hecha de hierro, es de 300 metros. ¿Cuál será su altura en verano cuando la temperatura es de 40°C? ¿Cuál será su altura en invierno cuando la temperatura es de −10°C?
    2. ¿Cuál es la longitud de un riel de acero de 8 metros a 30°C, si la temperatura desciende a −25°C?
    3. A −15°C, la longitud de una cuerda de cobre es de 30 metros. ¿Cuál será su longitud a 40°C?
    4. Una varilla de plata mide 48 cm a 13°C. ¿Cuál es su longitud si se calienta hasta 500°C?
Lectura 27: Escalas de temperatura

Pasos para construir un termómetro: tome un tubo de vidrio resistente al calor que sea delgado y con un extremo cerrado. Coloque dentro de él, una pequeña cantidad de mercurio puro. Coloque el tubo con el mercurio dentro de un recipiente con hielo y espere hasta que el mercurio se contraiga lo más posible. Marque el nivel donde quedó el metal. Esta marca equivale a cero grados. Coloque el tubo dentro de agua hirviendo y espere que el metal se dilate al máximo. Marque el nivel donde quedó el metal. Esta marca equivale a cien grados. Divida la distancia entre las dos marcas en cien partes iguales. Cada espacio equivale a un grado. Estas instrucciones, posiblemente serian recomendadas por Celsius, para construir un termómetro como el construido por él y cuya escala se conoce como escala celsisus o centígrada (°C). En este termómetro, cero grados equivalen al punto de fusión del hielo y cien grados equivalen al punto de ebullición del agua.
Otra escala de temperatura importante es la escala Kelvin (°K), pensada para trabajar con un rango más amplio de temperaturas, es útil en el análisis del estado gaseoso. Dado que un gas se dilata en un doscientos setenta y tresavo (1/273) de su volumen por cada grado centígrado, se toma 273 como el punto de fusión del hielo, 373 como el punto de ebullición del agua y el cero se conoce como cero absoluto. Un grado centígrado en igual a un grado kelvin.
La escala Fahrenheit (°F) es la más utilizada en los estados unidos. Fahrenheit empleó como valor cero de su escala la temperatura de una mezcla de agua y sal a partes iguales, y los valores de congelación y ebullición del agua quedaron fijados en 32 y 212 respectivamente. Él dividió este espacio en 180 partes. La figura muestra la relación entre las tres escalas.
Conversiones:
Para representar una temperatura dada en las diferentes escalas se utilizan las siguientes fórmulas:


Actividad
  1. Completar la siguiente tabla:
    EscalaSímboloTemperatura de fusión del hieloTemperatura de ebullición del agua
    Celcius
    Kelvin
    Fahrenheit
  2. Dibuje el esquema que relaciona las tres escalas de temperatura
  3. ¿Cuál es el metal que contiene un termómetro?
  4. Realice las siguientes conversiones aplicando las fórmulas escritas arriba:
    1. 114°C a grados °K
    2. 5891°K a grados °C
    3. 255°F a grados °C
    4. 12°C a grados °F
    5. 711°F a grados °K
    6. 17°K a grados °F

sábado, 28 de marzo de 2015

Lectura 26: Transferencia de Calor

¿Qué dirías si te aseguran que tu chaqueta o abrigo no calienta en absoluto? Pensarías seguramente que están bromeando. Pero, ¿y si empezaran a demostrarte que, efectivamente, es así?
Hagamos, por ejemplo, la siguiente prueba: Tomemos un termómetro, fijémonos en los grados que marca y envolvámoslo en un abrigo. Si después de varias horas, lo sacamos, veremos que no se ha calentado ni en un cuarto de grado. Lo mismo que marcaba antes, marca ahora. He aquí una prueba de que el abrigo no calienta. Podría sospecharse incluso, que el abrigo enfría. Tomemos si no dos envases con hielo. Envolvamos uno de ellos en el abrigo, mientras que el otro lo dejamos, sin tapar, en la habitación. Cuando se haya derretido el hielo de este, saquemos el que está en el abrigo. Veremos que éste casi ni ha empezado a fundirse. Es decir, el abrigo, no sólo no ha calentado el hielo, sino que, al parecer, lo ha enfriado, retardando su licuación.
¿Qué podemos decir? ¿Cómo refutar estas conclusiones?
De ninguna manera. El abrigo realmente no calienta, si es que por «calentar» entendemos transmitir calor. La lámpara calienta, la estufa calienta, el cuerpo humano calienta, porque todos estos cuerpos son fuentes de calor. Pero el abrigo, en este sentido de la palabra, no calienta. El abrigo no da calor, sino que se limita, simplemente, a impedir que el calor de nuestro cuerpo se aleje de él. Esto es el motivo por el cual, todos los animales de sangre caliente, cuyo cuerpo es fuente de calor, se sentirán más calientes con el abrigo que sin él. Pero el termómetro no engendra calor propio y, por eso, su temperatura no varía aunque lo envolvamos en el abrigo. El hielo envuelto en el abrigo conserva más su baja temperatura, porque éste es muy mal conductor del calor e impide que llegue hasta el hielo el calor exterior, es decir, el calor del aire que hay en la habitación.
De esta forma, cuando nos pregunten si calienta nuestro abrigo, lo más exacto sería decir, que nosotros calentamos al abrigo, y no él a nosotros.
Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden, pero son diferentes.
La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. La temperatura se mide con termómetros en escala Centígrada o Kelvin entre otras. En cambio el calor, es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La unidad de calor es la caloría.
La transferencia de calor se realiza por tres medios: conducción, convección y radiación.
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor entre dos cuerpos que están en contacto, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Al calentar agua, la sustancia que se calienta se mueve a la superficie y la sustancia más fría se mueve hacia el fondo. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones.
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.

Actividad:
  1. ¿Cuál es la diferencia entre temperatura y calor?
  2. ¿En qué consiste la transferencia de calor por conducción?
  3. ¿En qué consiste la transferencia de calor por convección?
  4. ¿En qué consiste la transferencia de calor por radiación?
  5. Dé 3 ejemplos de fuentes de energía
  6. ¿Por qué un abrigo evita que sintamos frío?
  7. ¿Cómo se mide la temperatura?
  8. ¿En qué unidades se mide el calor?

viernes, 27 de marzo de 2015

Lectura 25: Termodinámica

La revolución industrial se dio gracias a la construcción de la máquina de vapor.
Una caldera con agua se pone en contacto con una fuente de calor. El calor es absorbido por el líquido hasta alcanzar su estado de vapor. Este vapor viaja por una tubería hasta un cilindro dentro del cual hay un émbolo o pistón, que se desplaza impulsado por la presión que recibe. Al moverse, empuja una biela que a su vez hace girar un cigüeñal que sirve como eje a un volante. Ha nacido un motor. El calor, como forma de energía, se ha transformado en movimiento, otra forma de energía.
Termodinámica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor, su transferencia de un cuerpo a otro y su conversión en energía mecánica. Esta disciplina debe su desarrollo a la necesidad de optimizar la eficiencia propia de las máquinas de vapor y hoy se encarga del funcionamiento y rendimiento de los motores de combustión entre otros sistemas físicos. El punto de partida para adentrarse en la disciplina es el conocimiento de sus leyes.
La primera Ley de la termodinámica sostiene que la energía no puede crearse ni destruirse, solo puede transformarse; así, el calor es una forma de energía que puede convertirse en trabajo mecánico.
La segunda ley de la termodinámica señala que solo es posible la realización de un trabajo a partir del paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno de menor temperatura; esta ley además da una explicación del por qué existe una parte de la energía que no puede convertirse en trabajo. En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura.
Entre las variables de un sistema termodinámico están: presión, volumen y temperatura. Relacionando estas variables se pueden describir:
  • Sistemas isobáricos en los que la presión permanece constante y varían el volumen y la temperatura.
  • Sistemas isocóricos en los que permanece constante el volumen mientras varían la presión y la temperatura
  • Sistemas isotérmicos en los que varían presión y volumen permaneciendo la temperatura constante.
La gráfica muestra la relación entre los tres sistemas
Actividad:
  1. ¿qué es termodinámica?
  2. Describa la manera como funciona una máquina de vapor
  3. ¿Qué dice la primera ley de la termodinámica?
  4. ¿Qué dice la segunda ley de la termodinámica?
  5. Escriba las definiciones de sistemas isobáricos, isocóricos e isotérmicos
  6. Dibuje la gráfica que relaciona los tres tipos de sistemas

domingo, 27 de mayo de 2012

Lectura 24: ¿Por qué avanza un automóvil?

Hoy, el motor de gasolina es más complicado que en las primeras épocas del automóvil, pero la idea todavía es la misma. La gasolina tiene que mezclarse con el aire y quemarse. La mezcla de aire y gasolina arde a altas temperaturas. Los párrafos siguientes explican cómo y dónde se quema la mezcla.

Cómo trabaja el motor de gasolina

Todas las partes del motor de un automóvil trabajan al mismo tiempo. Una parte importante del motor es un tubo metálico y hueco llamado cilindro. Ajustada fuertemente dentro del cilindro se encuentra otra pieza denominada pistón. La gasolina y el aire se mezclan en los cilindros y allí la gasolina se quema. Esta se consume tan rápidamente y a tal temperatura que produce gases calientes. Cuando la gasolina se quema, el cilindro está fuertemente cerrado y los gases se hallan bajo una gran presión. Al quemarse de forma instantánea la gasolina se produce la explosión.

Una bujía produce la chispa que causa la explosión. El motor de un automóvil obtiene su poder de cientos de pequeñas pero poderosas explosiones. El primer motor de gasolina tenía sólo un cilindro. Hoy los motores tienen cuatro, seis u ocho cilindros.

Cómo trabaja el cilindro

Observe los diagramas de la Figura 1. Cada diagrama muestra uno de los cuatro pasos en que opera un cilindro. Cada paso se conoce como un tiempo. El pistón se mueve hacia abajo durante el tiempo de admisión. De manera simultánea, el aire y la gasolina mezclados se mueven dentro del cilindro (primer paso). Al moverse el pistón hacia arriba, la mezcla se comprime o prensa en un espacio pequeño. Este es el tiempo de compresión (segundo paso).

A continuación viene el tiempo de explosión. La bujía produce una chispa y la mezcla de aire y gasolina explota. La presión de esta explosión empuja el pistón hacia abajo (tercer paso). En seguida viene el tiempo de escape. Durante este tiempo, los gases producidos por la explosión se expulsan del cilindro (cuarto paso). Cuando los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo y de manera conjunta mueven sus bielas. Observe la Figura 1 de nuevo.

Cómo se transmite el poder a las ruedas

El movimiento de los pistones hacia arriba y hacia abajo produce, un poder. Pero para mover un auto, este movimiento hacia arriba y hacia abajo debe transformarse en un movimiento de rotación. Las bielas unen los pistones con la columna vertebral del motor: el cigüeñal. Al moverse los pistones se mueven las bielas y éstas, a su vez, hacen girar el cigüeñal. El cigüeñal transforma el movimiento hacia arriba y hacia abajo en un movimiento de rotación. Cuando el cigüeñal se mueve hace girar el volante. En muchos autos el poder de rotación lo llevan las llantas traseras y éstas los impulsan. Observe la Figura 2.

Cómo se refrigera el motor

Cuando la gasolina arde dentro de los cilindros se alcanza una temperatura aproximada a los 2.500°C. Este inmenso calor puede derretir el hierro y acelerar la oxidación de los metales. Por esta razón, un motor de gasolina debe tener un sistema de enfriamiento. La función de este sistema es remover el calor de las partes metálicas. El agua acumulada en el radiador hace este trabajo. Una bomba mueve el agua a través del motor y enfría los cilindros. El agua también se calienta y debe enfriarse. Esta función la cumple el ventilador. Observe la Figura 3. En climas muy fríos se añade al agua un anticongelante. Este preserva al agua de la congelación.

Cómo trabajan los frenos

El sistema de frenos se usa para desacelerar o detener un carro. Los frenos hidráulicos utilizan líquido a presión. Cuando el conductor presiona el pedal del freno, el líquido se empuja desde el cilindro principal, a través de las mangueras y los tubos, hasta los cilindros de las ruedas. (El cilindro principal y los cilindros de las ruedas no tienen nada que ver con los cilindros del motor). El líquido empuja las zapatas de los frenos contra los tambores que se hallan dentro de las ruedas. El roce de los tambores contra las ruedas las detiene. Los frenos de disco trabajan de manera diferente a los frenos de tambor, pero también operan con presión hidráulica. Observe la Figura 4.

Taller de lectura 24

Comprensión de los hechos

  1. Escriba los siguientes pasos en el orden en que ocurren dentro de un cilindro: tiempo de compresión, tiempo de admisión, tiempo de escape y tiempo de explosión.
    1. Tiempo de admisión.
    2. Tiempo de compresión.
    3. Tiempo de explosión.
    4. Tiempo de escape.
  2. ¿En qué parte del motor se quema la gasolina?
  3. ¿Qué produce la chispa que causa la explosión de la gasolina?
  4. ¿Qué elementos se mueven hacia arriba y hacia abajo, y originan el movimiento de las bielas?
  5. ¿Qué enfría el agua en el motor?
  6. ¿Dónde están los frenos de tambor?
  7. Relea el párrafo de la selección que tiene una marca de control. Subraye la oración que contiene la idea principal.
  8. Utilice las Figuras 1 y 2 para contestar las siguientes preguntas.
    1. ¿El pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo en el tiempo de compresión?
    2. ¿El pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo en el tiempo de explosión?
    3. ¿Por dónde salen los gases calientes durante el tiempo de escape?
    4. ¿Qué hace que el volante gire?

Interpretación de los resultados – lectura crítica

Llene los espacios que siguen con la palabra que completa cada oración.

  1. Cuando un auto se desplaza por una autopista los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo ___ ______
    muy rápido            y de un lado al otro            de lado
  2. En los autos con tracción delantera, el poder lo llevan las ruedas __________
    traseras            delanteras            laterales
  3. El __________ enfría el agua de sistema de refrigeración?
    cigüeñal            ventilador            escape
  4. En la Figura 1, ¿qué causa el tiempo de explosión?
  5. En la Figura 2, ¿qué hace girar el volante?
  6. En la Figura 3, ¿qué hace circular el agua a través del motor?
  7. En la Figura 4, ¿por dónde se desplaza el líquido de frenos para ir del cilindro principal hasta el cilindro de frenado?
  8. Explique con sus propias palabras los cuatro tiempos de la operación de un cilindro, según la Figura 1.