U2S1: Conceptos Básicos de Termodinámica

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEZIUTLÁN
MATERIA:
FÍSICA PARA
INFORMÁTICA
ENERO / JUNIO 2017

SISTEMAS TÉRMICOS Y
CONCEPTOS BÁSICO DE
TEMPERATURA

CONCEPTO DE TERMODINÁMICA
Del griego «thermós» (Caliente) y «dynami» (Movimiento)
TEMPERATURA
EFECTOS
PROCESOS
(EXPANSIÓN TÉRMICA)

SISTEMA TERMODINÁMICO SIMPLE
SISTEMA
TERMODINÁMICO
SIMPLE
MACROSCÓPICO
HOMOGÉNEO
ISOTRÓPICO
IGNORA EFECTOS
SUPERFICIALESSIN CARGA
QUÍMICAMENTE
INERTE
NO EXPERIMENTA
CAMBIOS EN SU ENERGÍA
MECÁNICA TOTAL
SIN CAMPOS MAGNÉTICOS O
ELÉCTRICOS

DIFERENCIAS ENTRE “CALOR” Y “TEMPERATURA”
TEMPERATURA CALOR
Magnitud Física con la que
se determina si un cuerpo
está «caliente» o «frío»
Energía transferida entre dos
sistemas con diferente
temperatura
(Energía en Tránsito)
<= ¡No son Sinónimos! =>

TRANSFERENCIA DE CALOR
AGUA CALIENTE AGUA FRÍA
Fenómeno microscópico entre dos sistemas a diferente temperatura, que intercambian energía entre
cada uno de sus átomos.
100 °C 4 °C

Cuando dos sistemas intercambian energía térmica, se dice que están en « Contacto Térmico »
100 °C 4 °C
RECIPIENTE VACÍO

El contacto térmico no implica forzosamente que ambos sistemas estén en contacto físico o que
sean muy próximos uno de otro.
100 °C 4 °C
AIRE

Los átomos de un sistema térmico sufren una alteración en su movimiento y energía dependiendo
de la temperatura a la que se encuentren.

AGUA CALIENTE AGUA
FRÍA
La transferencia de calor se dirige del sistema más caliente (con mayor temperatura) al sistema más
frío (con menor temperatura)
100 °C
4 °C
Más Energía
SISTEMA CON MAYOR POTENCIAL TÉRMICO
Menos Energía
SISTEMA CON MENOR POTENCIAL TÉRMICO

100 °C 4 °C
AIRE
La transferencia de calor se dirige del sistema más caliente (con mayor temperatura) al sistema más
frío (con menor temperatura)
Temp. Ambiente
20 °C

Cuando ocurre contacto térmico entre los sistemas, las moléculas de ambos «chocan»
100
°C
4
°C
AGUA TIBIA

AIRE
Cuando ocurre contacto térmico entre los sistemas, las moléculas de ambos «chocan»
Se enfría Se calienta
20 °C

Cuando los sistemas se encuentran a la misma temperatura, se dice que ambos se encuentran en «
Equilibrio Térmico »
AGUA TIBIA
100
°C
4
°C20 °C

Una vez equilibrados ambos sistemas, el proceso de transferencia de calor se termina
100 °C 4 °C
AIRE
AGUA TIBIA
20 °C
20 °C
20 °C

EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA
TEMPERATURA
Dilatación o contracción de materiales
Cambios en la presión atmosférica
Cambios en la resistencia eléctrica
Puntos de fusión o ebullición

CARACTERÍSTICAS DE LA TEMPERATURA
Ciertos materiales conducen el calor en mayor grado que otros.
Si dentro del refrigerador hay 4°C ¿Por qué una
lata se siente ‘más fría’ que una botella, si se
supone que todos los elementos en el interior
están a la misma temperatura?

El calor es un desplazamiento de energía de un cuerpo a otro, cuando entre ellos hay una
temperatura diferente. El cuerpo «más caliente» cede energía al cuerpo «más frío»

El calor se transmite de tres formas: por Conducción, por Convección o por Radiación.

CONDUCCIÓN
La Conducción del calor se da cuando se ponen
en contacto dos materiales a diferente
temperatura.
El material con mayor temperatura tiene una
mayor agitación en sus moléculas, que chocan al
entrar en contacto con las del material de menor
temperatura.
El resultado es que la temperatura del más
caliente disminuye y la del más frío aumenta.

CONVECCIÓN
La Convección es un tipo especial de
transferencia de calor producido por el
movimiento de un gas o fluido que se mueve
dentro de un sistema.
Cuando se someten a un aumento de
temperatura, se vuelven menos densos y
fluyen hacia afuera de la fuente o hacia
arriba, transportando con ellos energía.
Una vez en el exterior pierden temperatura y
se vuelven más densos, fluyendo hacia
abajo.

RADIACIÓN
La Radiación es una forma de transferencia de
calor producida por ondas electromagnéticas.
La emisión de estas ondas por un cuerpo y su
absorción por otro implica una transmisión de
energía que identificamos como calor.
La longitud de onda y la potencia relativa de la
radiación emitida depende de la temperatura
del cuerpo, y por lo general las ondas
electromagnéticas se alejan del objeto emisor.

Una bombilla o foco ejecuta Transferencia de Calor
en las tres formas posibles. ¿En qué partes o
secciones las ejecuta?

TRANSFERENCIA DE CALOR POR
CONDUCCIÓN
La fórmula para calcular la transferencia de calor por unidad de tiempo, o simplemente
Transferencia de Calor, se calcula con la sig. fórmula:
𝑄
𝑡 =
λ𝐴 (𝑇2 − 𝑇1)
𝐿
Donde:
Q/t: Transferencia de Calor por Unidad de
Tiempo (W: Watts)
Λ: Coeficiente de Conductividad Térmica del
Material (W/[m*K])
T2: Temperatura del Sistema con Mayor
Temperatura (°C)
T1: Temperatura del Sistema con Menor
Temperatura (°C)
L: Longitud o Grosor del Material (m)

EJEMPLO:
Una habitación de 4 paredes cuyo material tiene
una conductividad térmica de 0.8, con un área
de 10 m2 por pared y grosor de 22 cm, debe
permitir que dentro de ella haya una
temperatura de 18 °C, cuando la temperatura
del exterior es de 35 °C. Calcule la transferencia
de calor a través de cada pared.
CONDUCCIÓN

ENTRE MATERIALES EN
SERIE

TRANSFERENCIA DE CALOR EN
MATERIALES DISPUESTOS EN SERIE
Se pueden construir modelos o estructuras que
permitan un mayor aislamiento o conducción del
calor sumando una capa o más de algún material.
Si se colocan dos o más capas o paredes una
inmediatamente después de la otra, se tiene un
sistema de En Serie.

CONDUCCIÓN CON CAPAS EN SERIE
El cálculo de la transferencia de Calor entre varias capas en serie sigue el mismo
procedimiento y la fórmula original de patrón; no obstante, y dependiendo del número de
capas, la fórmula se modifica de la siguiente manera:
𝑄 𝑇 =
𝑇2 − 𝑇1
𝐿1
λ1
𝐴1
+ 𝐿2
λ2
𝐴2
+ … + 𝐿𝑛
λ 𝑛
𝐴 𝑛

EJEMPLO:
Determine la transferencia de calor efectuada en el
sistema siguiente: una pared aislante debe permitir
que de los 35°C de temperatura máxima en el
exterior, sólo se perciban 20°C en el interior.
Hay una placa de asbesto (1) y una de tabique
aislante (3), y entre ellas hay un espacio vacío (aire);
las placas tienen un área de 100 cm2 y un grosor de
40 cm.
CONDUCCIÓN CON CAPAS EN SERIE
21 3

ENTRE MATERIALES EN
PARALELO

TRANSFERENCIA DE CALOR EN MATERIALES
DISPUESTOS EN PARALELO
Se pueden construir modelos o estructuras que
permitan un mayor aislamiento o conducción del
calor acoplando capas de diferentes materiales
Si se colocan dos o más capas o paredes una sobre
otra, se tiene un sistema de En Paralelo.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
CON CAPAS EN PARALELO
El cálculo de la transferencia de calor entre varias capas en paralelo sigue el mismo
procedimiento y la fórmula original de patrón, no obstante, y dependiendo del número de
capas, la fórmula se modifica de la siguiente manera:
𝑄 𝑇 =
𝑇2 − 𝑇1
𝐿1
λ1
𝐴1
+
𝑇2 − 𝑇1
𝐿2
λ2
𝐴2
+ … +
𝑇2 − 𝑇1
𝐿 𝑛
λ 𝑛
𝐴 𝑛

EJEMPLO:
Determine la transferencia de calor efectuada en el
sistema siguiente: se han dispuesto dos capas con
un área de 10 m2 y un grosor de 5 m. La capa
superior es de piedra caliza y la otra es de ladrillo
rojo. Ambas capas aislarán una temperatura de 50°C
para que en el otro extremo sólo se conduzca el 50%
de la temperatura.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
CON CAPAS EN PARALELO
2
1

LEY (O EFECTO) DE JOULE
CORRIENTE (I)
Energía total o cantidad de electrones que
circulan por el circuito.
UNIDAD: AMPERES ( A )
VOLTAJE O TENSIÓN (V)
Energía necesaria para que la corriente fluya
por el circuito de un punto a otro.
UNIDAD: VOLTS ( V )
RESISTENCIA (R)
Oposición al paso de corriente por el circuito o
una sección del mismo.
UNIDAD: OHMS ( Ω )

LEY DE OHM
La relación entre la Corriente, el Voltaje
y la Resistencia de un circuito eléctrico
está descrita en una ecuación
elemental denominada Ley de Ohm.
𝐼 =
𝑉
𝑅

LEY DE OHM

Cuando circula corriente eléctrica en un
conductor, parte de la energía cinética
de los electrones se transforma en calor
y eleva la temperatura de éste.
A este efecto de desprendimiento de
energía calorífica por el paso de una
corriente eléctrica se le conoce como
Efecto o Ley de Joule.

Existen varios aparatos y dispositivos
eléctricos y electrónicos que producen
calor como consecuencia del efecto
Joule.
En algunos de ellos se aprovecha, en
otros es un efecto indeseable que se
debe regular.

La Ley de Joule se enuncia como:
“El calor (Q) que produce una corriente
eléctrica (I) al circular por un conductor es
directamente proporcional al cuadrado de la
intensidad de la corriente, a la resistencia (R)
y al tiempo (t) que dura circulando la
corriente”
Q = 0.24 ∗ I2 ∗ Rt
Donde:
Q: Cantidad de Calor (cal: Calorías)
I: Corriente (I: Amperes)
R: Resistencia del elemento (Ω: Ohms)
t: Tiempo transcurrido (s: segundos)

Al observar la expresión matemática anterior
encontramos que I2R es la potencia eléctrica
multiplicada por el tiempo, lo cual
proporciona la energía consumida, es decir:
Q = 0.24 ∗ I2 ∗ Rt
T = Pt = I2 ∗ Rt
Esta cantidad de energía consumida en joules se transforma en calor, por ello la constante 0.24
representa la equivalencia siguiente:
1 Joule de trabajo (T) = 0.24 calorías de energía térmica
1 caloría (cal) = 4.18 joules

Por tanto, si queremos conocer la energía consumida (E=T) por un aparato eléctrico
expresada en joules, de acuerdo con la ley de Joule:
𝐸 = 𝑇 =
𝑉2
𝑅
t 𝑃 = 𝐸/𝑡
Donde:
T: Trabajo (J: joules)
V: Voltaje de Suministro (V: Volts)
R: Resistencia del elemento (Ω: Ohms)
t: Tiempo Transcurrido (s: segundos)
Donde:
P: Potencia Consumida (W: Watts)
E: Energía Consumida (J: Joules)
t: Tiempo Transcurrido (s: segundos)
O bien:

EJEMPLO:
Por la resistencia de 30 Ω de una plancha eléctrica circula una corriente de 4 A al estar
conectada a una diferencia de potencial de 120 V ¿Qué cantidad de calor produce en cinco
minutos? ¿Cuánta energía se consumió?

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