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Física para Ciencias:
Termodinámica
Dictado por: Profesor Aldo Valcarce
1er semestre 2014
FIS109C – 2: Física para Ciencias 1er semestre 2014
Potencia La potencia se define como la rapidez de transferencia de energía o el
trabajo realizado por segundo.
Las unidades de potencia son J/s o Watts (W)
En mecánica:
Entonces,
𝑷 =∆𝑸
∆𝒕
𝑾 = 𝑭∆𝒙
𝑷 = 𝑭∆𝒙
∆𝒕= 𝑭𝒗
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La transferencia de calor La energía térmica se puede transferir de un lugar a otro por tres maneras
distintas:
Conducción – Convección - Radiación
La transferencia de calor existe sólo cuando hay una diferencia de
temperaturas.
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Conducción
FIS109C – 2: Física para Ciencias 1er semestre 2014
Conducción Si se inserta un extremo de una varilla de cobre en una fogata, la
temperatura del otro extremo aumenta rápidamente por el proceso de
conducción.
La conducción se debe a la transferencia de energía cinética entre las
moléculas o átomos de la sustancia.
𝑯 denota la rapidez con la que el calor se transfiere de un lugar a otro.
Experimentalmente se encuentra que:
la diferencia de temperatura
el área del conductor
el largo del conductor.
𝑯 ∝ ∆𝑻
𝑯 ∝ 𝑨
𝑯 ∝ 𝟏/𝑳
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𝒌 es una constante conocida como la conductividad térmica del material y
tiene unidades de 𝐽 𝑠−1 𝑚−1 °𝐶−1.
En general, los metales son buenos conductores (tienen 𝒌 alta), mientras
que los no-metales y los gases son malos conductores (tienen 𝒌 baja).
Cobre: 397 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 Aire: 0,0234 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶
Concreto: 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶 Asbesto: 0,25 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶
Conducción
𝑯 =∆𝑸
∆𝒕= 𝒌𝑨
𝑻𝟐 − 𝑻𝟏
𝑳
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Ejercicio: Conducción
Calcule la cantidad de calor que se transfiere en una hora a través de un
muro de concreto de 2 𝑚 de altura, 3,65 𝑚 de longitud, y 0,2 𝑚 de espesor si
un lado del muro se mantiene a 20 𝑜𝐶 y el otro 𝑎 5 𝑜𝐶 (k = 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜𝐶).
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Convección
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Calentando las manos sobre una fogata:
El aire que está directamente encima de las llamas se calienta y
expande. En consecuencia baja su densidad y el aire sube. Esta
masa de aire calienta las manos.
El calor transferido por el movimiento de las moléculas o átomos de
la sustancias de un lugar a otro se transmite por convección.
Cuando el proceso ocurre por diferencias de densidad, se llama
convección natural.
Cuando una bomba o ventilador obliga a la sustancia caliente a
moverse, convección forzada.
Convección
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Radiación
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Radiación
¿Cómo llega a la Tierra el calor generado por el sol?
Entre la tierra y el sol hay espacio vacío - no tiene átomos o
moléculas para transmitir el calor por conducción ni convección.
Todos los objetos irradian energía en forma de ondas
electromagnéticas. La radiación asociada con la pérdida de energía
térmica de un objeto se llama radiación infrarroja.
El calor del sol llega a la tierra en forma de radiación.
~1340 J de energía llegan por segundo a cada m2 de la parte
superior de la atmósfera. Parte de ésta es reflejada, la otra parte es
absorbida por la atmósfera.
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Ley de Stefan
𝐴: área
𝜎 = 5.67 x 10-8 W/m2 K4 𝑒: emisividad o absorbencia
𝟎 ≤ 𝒆 ≤ 𝟏
𝑒 = 1 absorbedor ideal
𝑒 = 0 reflector ideal
Todo cuerpo
absorbe y emite
Radiación
𝑷 = 𝝈𝑨𝒆𝑻𝟒
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𝑷𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝝈𝑨𝒆(𝑻𝟒 − 𝑻𝟎𝟒)
Una persona demora 10 min en decidir que ropa ponerse en la
mañana mientras se encuentra totalmente desnuda. Si la
temperatura de la persona es de 35 °C ¿qué energía neta
pierde su cuerpo por radiación?
Suponer que la emisividad de la piel es de 0.900 y que el área
de la superficie de la persona es de 1.5 m2.
Ejercicio: Radiación
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Resumen
Potencia
Transferencia de Calor
Conducción
Convección
Radiación
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𝑯 = 𝒌𝑨𝑻𝟐 − 𝑻𝟏
𝑳
𝑷 =∆𝑸
∆𝒕