la dilatación lineal es el aumento de la longitud que experimenta un cuerpo al ser calentado. es...

DILATACION LINEAL La dilatación lineal es el aumento de la longitud que

experimenta un cuerpo al ser calentado. Es proporcional al aumento de temperatura que

experimenta el cuerpo y se expresa matemáticamente como:

Donde :Li - Es la longitud inicial del cuerpo en metros,

∆T - Es el cambio de temperatura del cuerpo en °C ; Lf - Es la longitud final del cuerpo en metros y

α - Es el coeficiente de dilatación lineal,

El coeficiente de dilatación lineal es el incremento de longitud que experimenta la unidad de longitud del sólido, cuando la temperatura se eleva en 1 ºC, se representa con la letra griega α y. es un valor característico de la sustancia

)1( TLL if

La dilatación lineal se aprecia con facilidad en cuerpos que son muy largos y delgados, porque al ser mayor su longitud que su espesor el incremento en su longitud se observa claramente:

Algunos coeficientes de dilatación lineal (α), se dan en la siguiente tabla ó bien se puede calcular con la fórmula:

ifif TTLL 1

ifi

if

TTL

LL

Coeficientes de Dilatación Lineal α de 20°C a 100°C

Aluminio 2.2 x 10-5 °C

Acero 1.36 x 10-5 °C

Latón 1.93x 10-5 °C

Concreto 0.70x 10-5 °C

Cobre 1.21x 10-5 °C

Vidrio Pyrex 0.30 x 10-5 °C

Plomo 2.5x 10-5 °C

Zinc 3.54x 10-5 °C

Hierro 1.12x 10-5 °C

Plata 1.83x 10-5 °C

Níquel 1.25x 10-5 °C

Vidrio 0.89x 10-5 °C

Hielo 5.10x 10-5 °C

Cuarzo 0.05x 10-5 °C

DILATACION SUPERFICIAL La dilatación superficial es el aumento de superficie

que expe-rimenta un cuerpo por efecto del calor. y aumento de tempera-tura,

Cualquier cuerpo que se calienta, se dilata en todas direcciones, a esta dilatación se le llama isotró-pica, es decir, es la misma en to-das direcciones: largo y ancho

La dilatación de una superficie es semejante a una ampliación fotográfica, tanto la longitud como el ancho del material o cuer-po se dilatarán con la misma velocidad

Por lo tanto, la dilatación superficial (∆A) es el aumento del á-rea de un objeto inducido por el aumento de temperatura (∆T)

La fórmula para calcular la dilatación superficial es:



β - Es el coeficiente de dilatación superficial,

Otra forma de expresar esta misma fórmula en función de las áreas es:

Donde :Ai - Es el área inicial del cuerpo en metros cuadrados,

∆T - Es el cambio de temperatura del cuerpo en °C ; Af - Es el área final del cuerpo en metros cuadrados y

β - Es el coeficiente de dilatación superficial,

TLTTLL iifif 11 222

TATTAA iifif 11

El coeficiente de dilatación superficial es el incremento en dos dimensiones de un sólido o en el área de un sólido que experimenta el sólido, cuando la temperatura se eleva en 1 ºC, se representa con la letra griega β y. su valor se obtiene de tablas o por medio de la siguiente ecuación:

ifi

if

TTA

AA

2

Coeficiente de dilatación superficial β de 20°C a 100°C

Aluminio 4.4 x 10-5 °C Zinc 7.08x 10-5 °C

Acero 2.72 x 10-5 °C Hierro 2.24x 10-5 °C

Latón 3.86x 10-5 °C Plata 3.66x 10-5 °C

Concreto 1.40x 10-5 °C Níquel 2.50x 10-5 °C

Cobre 2.42x 10-5 °C Vidrio 1.78x 10-5 °C

Vidrio Pyrex 0.60 x 10-5 °C Hielo 10.20x 10-5 °C

Plomo 5.00x 10-5 °C Cuarzo 0.10x 10-5 °C

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

La dilatación volumétrica es el incremento del volumen de alguna sustancia

Por lo tanto, la dilatación volumétrica (∆V) es el aumento del vo-lumen de un objeto debido al aumento de temperatura (∆T):

La fórmula para calcular la dilatación volumétrica es:



δ - Es el coeficiente de dilatación volumétrica,

Otra forma de expresar esta misma fórmula en función del volumen es:

Donde :Vi - Es el volumen inicial del cuerpo en metros cúbicos,

∆T - Es el cambio de temperatura del cuerpo en °C ; Vf - Es el volumen final del cuerpo en metros cúbicos y

δ - Es el coeficiente de dilatación volumétrica

TLTTLL iifif 11 333

TVTTVV iifif 11

El coeficiente de dilatación volumétrico es el incremento en tres dimensiones (volumen) de un material cualquiera que experimenta dicho material, cuando la temperatura se eleva en 1 ºC, se representa con la letra griega δ y. su valor se obtiene de tablas o por medio de la siguiente ecuación:

ifi

if

TTV

VV

3

Coeficiente de dilatación superficial δ de 20°C a 100°C

Aluminio 6.60x 10-5 °C Zinc 10.62x 10-5 °C

Acero 4.08 x 10-5 °C Hierro 3.36x 10-5 °C

Latón 5.79x 10-5 °C Plata 5.49x 10-5 °C

Concreto 2.10x 10-5 °C Níquel 3.75x 10-5 °C

Cobre 3.63x 10-5 °C Vidrio 2.67x 10-5 °C

Vidrio Pyrex 0.90 x 10-5 °C Hielo 15.30x 10-5 °C

Plomo 7.50x 10-5 °C Cuarzo 0.15x 10-5 °C

QUE ES CALOR?

Es la transferencia de energía de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperaturas y se representa con la letra Q

En la transferencia de energía la temperatura del cuerpo mas caliente desciende y la del cuerpo más frío aumenta

El cuerpo que gana energía con este mecanismo se dice que ABSORBE CALOR

El cuerpo que pierde energía con este mecanismo se dice que PIERDE ó CEDE CALOR

EL CALOR ES UNA MAGNITUD ESCALAR QUE MIDE “EL PASO DE ENERGÍA” (ENERGÍA EN TRÁNSITO) DE UN CUERPO A

OTRO, EXCLUSIVAMENTE POR DIFERENCIA DE TEMPERATURA

Al calor también se le denomina energía calorífica, En el lenguaje cotidiano es frecuente el empleo del término

energía térmica como sinónimo de calor, sin embargo desde el punto de vista de la física es diferente pues se considera que: Energía Térmica: Es la energía que contiene una sustancia en virtud de

los movimientos aleatorios de sus átomos y moléculas y es parte de la energía interna de los cuerpos.

Calor: Energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a las diferencias de temperaturas entre ellos.

Como el calor es una forma de energía se debe medir con la misma unidad con que se mide la energía mecánica en el SI, es decir, el joule(J), sin embargo se utilizan otras unidades para medir el calor, las cuales se introdujeron antes de comprobarse que el calor era una forma de energía y que hoy son de uso común. Estas unidades son la caloría, la kilocaloría y el BTU

UNIDADES DEL CALOR Caloría (cal): Es la cantidad de calor necesario para elevar

en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua. Kilocaloría (kcal): Es la cantidad de calor necesario para

elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua y es un múltiplo de la caloría.

BTU (Btu) ó Unidad Térmica Británica que es la cantidad de calor necesario para elevar en un grado fahrenheit la temperatura de una libra de agua. Esta unidad se utiliza en el sistema inglés

Equivalencias:1 kcal = 1000 cal = 4186 J1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal = 778 ft ·lb1 J = 1 Nm = 1 x 107 ergios1 J = 0.24 cal1 lb = 454 g = 0.454 kg

CAPACIDAD CALORÍFICA (C) Y CALOR (Q):

Cuando se introducen en un recipiente con agua caliente dos o más cuerpos de masas iguales pero de sustancias diferentes y después de un rato se retiran, se observa que la temperatura que alcanza cada uno es distinta, ya que sus capacidades caloríficas son diferentes.

.La capacidad calorífica (C) de un cuerpo se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado celsius su temperatura. Matemáticamente se expresa como:

(1)

donde: C – Capacidad Calorífica del cuerpo en J/K, cal/ºC, J/ºC, kcal/ºC

Q - Es el calor ó energía calorífica en J, cal, kcal ó Btu ∆T - Es la diferencia ó variación de temperatura en ºC

of TT

Q

T

QC

La capacidad calorífica de un cuerpo no permite caracterizarlo ni identificar la sustancia de que está hecho, por ejemplo: 1 kg de cobre tiene una capacidad calorífica diferente a 2 kg de cobre ó a 1 kg de aluminio, sin embargo el calor específico si nos permite hacer esta caracterización.

Calor específico (c) es la capacidad calorífica de una sustancia por unidad de masa, por lo tanto:

Sustituyendo C = mc en la ecuación 1, tenemos

Despejando Q de la ecuación anterior, tenemos:

Esta expresión se interpreta como: “ El calor que se debe suministrar o eliminar para cambiar la temperatura de la masa m en una cantidad ∆T”

if TTmcTmcQ

mcCm

Cc

of TT

Q

T

Qmc

El Calor específico es la capacidad calorífica de una sustancia por unidad de masa, pero tendrá distintos valores si la transferencia de calor se realiza a presión constante (cp ) ó a volumen constante (cv ) de tal forma que la ecuación:

cambiaria su expresión cuando la transferencia de calor se realice a:

• Volumen constante:

• Presión constante:

if TTmcTmcQ

ifvv TTmcTmcQ

ifpp TTmcTmcQ

Calores específicos de algunas sustancias a presión constante

SustanciaCalor Específico

cal/g°C J/kg°C

Agua 1.00 4186

Alcohol etílico 0.58 2430

Trementina 0.42 1800

Hielo 0.50 2090

Vapor (a 100°C) 0.48 2010

Aluminio 0.21 900

Cobre 0.0920 390

Plomo 0.03 128

Zinc 0.0922 386

Plata 0.056 236

Vidrio 0.20 840

Oro 0.030 129

Acero 0.114 477

Hierro 0.113 473

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

A la propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducir el calor de un material a otro ó dentro de un mismo material, se le denomina conductividad térmica.

También se podría definir como la capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes ó a otras sustancias con las que esté en contacto.

Lo contrario a la conductividad térmica es la resistividad térmica, porque es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

La conductividad térmica cambia mucho de una sustancia a otra. Los buenos conductores de calor son los metales, pero los compuestos como cerámica, ladrillos, madera, plástico o la lana no son buenos conductores y se le denomina aisladores térmicos.

CAMBIOS DE FASE

En nuestro entorno la materia se nos presenta en forma sólida, líquida, gaseosa ó plasma. Por ejemplo, el agua es una sustancia que en los polos se encuentra en estado sólido como hielo, cuando se le suministra energía pierde la rígida energía molecular y pasa al estado líquido, así se observa en los ríos, lagos y mares; si se le agrega aún más energía, el agua cambia al estado gaseoso, por lo que se le encuentra como vapor en el aire. Al agregar más energía las moléculas se rompen en iones, lo que da lugar al estado de plasma

El cambio entre un estado y otro se denomina transición ó cambio de fase

Los cambios de fase pueden realizarse suministrando o extrayendo energía, acción que consiste en separar o juntar las moléculas de la sustancia que va a cambiar de fase.

La transformación de un estado físico a otro (líquido a gas) ocurre sin haya cambio de temperatura.

Fusión. Cambio de estado de sólido a líquido. Vaporización. Cambio de estado de líquido a gas. Sublimación. Cambio de estado de sólido directamente a gas. Solidificación. Cambio de estado de líquido a sólido. La temperatura a la

que se solidifica un líquido coincide con su punto de fusión. Condensación. Cambia de estado de gas a líquido. Sublimación inversa. Cambio de estado de gas directamente a sólido

Gana ó AbsorbeEnergía

Cede ó Pierde Energía

CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE:

Calor sensible es el calor que recibe un cuerpo sin cambiar su estado físico mientras se eleva su temperatura.

La cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y al número de grados en que cambia la temperatura y se puede calcular con la fórmula: if TTmcTmcQ

Calor latente (λ).- Es la cantidad de calor necesaria para que una sustancia se funda o se evapore (cambie de fase), sin que aumente su temperatura.

Existen dos tipos de calor latente:

Calor latente de fusión.- Es el calor necesario para que un sólido se funda, sin que aumente su temperatura.

Calor latente de vaporización.- Es la cantidad de calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia del estado líquido al estado gaseoso a la temperatura de ebullición.

mQ

CALOR LATENTE DE FUSION (λf):

El calor necesario para que un sólido se funda, sin que se eleve su temperatura es el calor latente de fusión.

El cambio de sólido a líquido se denomina fusión y la temperatura a la cual sucede este cambio es la temperatura de fusión ó punto de fusión.

De igual manera, cuando se de despoja de calor a un líquido, regresará a su fase sólida, a este proceso se le llama congelación ó .solidificación.

El calor de solidificación es equivalente al calor de fusión, sólo que en el primer caso se pierde ó cede calor y en el segundo se absorbe.

Su valor se calcula con la fórmula:

mQ

f

Por definición “ el calor latente de fusión λf de una sustancia es la cantidad de calor (Q), necesaria para cambiar un gramo (m) de sólido a un gramo de líquido sin variar su temperatura”, entonces:

ff mQmQ

Temperatura o punto de fusión en K y Calor Latente de Fusión λf (a una atmósfera de presión), en cal/g de

algunas sustancias

Agua 273 K 80 Platino - 27

Alcohol etílico

- 24.9 Oro - 16

Aluminio - 76.8 Oxígeno 54.4 K 3.3

Helio - 1.25 Plomo 600 K 5.86

Hielo - 80 Mercurio 234 K 2.80

Cobre 1356 K 42 Zinc - 24

Plata - 21 Hierro 1808 K 6

CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (λv): Se denomina calor latente de vaporización de

una .sustancia a la cantidad de calor (ó energía absorbida por la sustancia) por unidad de masa, que es necesario para modificar la sustancia del estado líquido al estado gaseoso a la temperatura de ebullición.

La vaporización es el cambio de fase de líquido a vapor, y a la temperatura asociada a este cambio se le denomina temperatura de ebullición o punto de ebullición de la sustancia.

Cuando modificamos la orientación de la transferencia de calor y se libera calor, el gas regresa a la fase líquida, a este proceso se le llama condensación.

Por otro lado, cuando una sustancia pasa de la fase sólida a la gaseosa, sin pasar por la líquida, se le llama sublimación. Por lo tanto se llama calor de sublimación a la cantidad de calor absorbido por la unidad de masa al cambiar de sólido a vapor.

Por definición “ el calor latente de vaporización λv de una sustancia es la cantidad de calor (Q), necesaria para cambiar un gramo (m) de líquido a un gramo de gas sin variar su temperatura”, entonces:

vv mQmQ

Temperatura o punto de ebullición en K y Calor Latente de Vaporización λv (a una atmósfera de

presión), en cal/g de algunas sustancias

Agua 373 K 540 Oxígeno 90.2 K 51

Alcohol etílico

- 204 Hierro 3023 K 1520

Helio - 5 Plomo 2033 K 208

Bromo - 44 Mercurio 630 K 71

Cobre 2840 K 1150 Zinc - 475

Plata - 558 Nitrógeno

77.3 K 48

CALOR CEDIDO Y ABSORBIDO POR LOS CUERPOS

Si un cuerpo caliente se encuentra en contacto con un cuerpo frío, existirá un intercambio de energía calorífica del cuerpo caliente al frío, obteniéndose la igualdad de sus temperaturas.

Cuando ocurre un intercambio de energía calorífica, la cantidad de energía permanece constante. Asimismo, se origina la ”Ley de Intercambio de Calor”, que nos menciona que en cualquier intercambio de energía calorífica, la energía calorífica cedida es equivalente a la energía calorífica absorbida.

Si lo representamos con fórmula, quedaría:

El mecanismo de transferencia de calor se comprende como el cuerpo que a temperatura más alta tiene mayor energía de colisión en sus partículas.

cedidoabsorbido QQ

Cuando entra en contacto con un cuerpo más frío, sus moléculas se colisionan con las del cuerpo frío, que tienen una energía de colisión menor.

Estas partículas generan la entrega de energía al chocar, produciendo mayor agitación e incremento de energía en el cuerpo frío y un descenso de energía en el cuerpo caliente.

Esto puede observarse al combinar agua caliente y agua fría: la consecuencia es el agua tibia, porque el agua caliente concede una determinada cantidad de calor que absorbe el agua fría. Dicha situación da lugar al principio de las mezclas calóricas: “Si dos o más cuerpos de diferente temperatura se mezclan, el calor absorbido por los cuerpos fríos equivale al calor cedido por los cuerpos calientes, quedando todos a una temperatura común”.

la dilatación lineal es el aumento de la longitud que experimenta un cuerpo al ser calentado. es...

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