Se le denomina energía térmica a la energía liberada
en forma de calor, obtenida de la naturaleza, mediante la combustión de algún combustible fósil, mediante
energía eléctrica por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión
nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.
La energía
térmica es otra manera de llamar a la energía calorífica, podemos decir que
básicamente toda la energía de nuestro planeta tiene como fuente fundamental el
calor del sol, que calienta el suelo, el aire de la atmósfera y el agua de los
ríos, lagos y océanos; ésta, al evaporarse, provoca la formación de nubes y al
condensarse en la atmósfera se convierte en lluvia.
Actualmente
la energía térmica o calor es utilizada para un sinfín de procesos industriales
incluyendo empresas siderúrgicas y la creación de energía en plantas
termoeléctricas como para el uso doméstico desde calentar nuestros hogares y
comida, planchar la ropa y muchos más
El calor se transmite por tres
maneras diferentes: conducción,
convección y radiación
·
Conducción se da cuando la energía pasa directamente de
un objeto a otro. Por ejemplo, calentamos con una vela encendida uno de los
extremos de una barra delgada de cobre, bronce o hierro, el calor se transmite
a lo largo del objeto y pronto estará tan caliente el otro extremo que ya no podremos sostener la barra bajo riesgo
de quemadura
Convección es la transferencia de energía a través del
movimiento de gases o líquidos desde un punto que tiene cierto grado de
temperatura hacia otro con un menor nivel de la misma. Por ejemplo, cuando se
calienta sobre la estufa, una olla de sopa, el contenido del fondo se expande
ligeramente, de manera que su densidad disminuye y el empuje de la sopa más
densa hace que la del fondo suba a la superficie, mientras que el contenido más
frío y denso desciende al fondo.
·
Radiación Consiste en la transmisión de calor por ondas
electromagnéticas, como ocurre con la luz y el calor del Sol que llegan a la
Tierra. La luz y el calor del Sol no pueden llegar a nosotros por conducción o
por convección, porque el espacio que nos separa de el está completamente
vacío. Sin embargo, los rayos del Sol viajan hacia nosotros en líneas directas,
y a eso se le llama radiación.
El calor se mide, al igual que el trabajo en joules. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 joules
Algo que todos debemos distinguir es la diferencia de las definiciones de calor y de temperatura, recordemos que el calor es energía y la temperatura es una unidad de medida para el calor, existen varias unidades de temperatura entre las que destacan grados Celsius, grados Fahrenheit, grados Kelvin y grados Rankine y las maneras de conversión de todos son las siguientes:
De
|
A
|
Fórmula
|
Fahrenheit
|
Celsius
|
(Fahrenheit
– 32) / 1.8
|
Celsius
|
Fahrenheit
|
(Celsius
x 1.8 + 32)
|
Celsius
|
Kelvin
|
Celsius
+ 273.15
|
Kelvin
|
Celsius
|
Kelvin
– 273.15
|
Rankine
|
Celsius
|
(Rankine
– 459.67)
|
Celsius
|
Rankine
|
(Celsius
+ 273.15) X 1.8
|
Kelvin
|
Fahrenheit
|
(Kelvin
X 1.8) – 459.67
|
Fahrenheit
|
Kelvin
|
5/9
( F + 459.67)
|
Fahrenheit
|
Rankine
|
Fahrenheit
+ 459.67
|
Rankine
|
Fahrenheit
|
Rankine
– 459.67
|
Rankine
|
Kelvin
|
Rankine
X 5/9
|
kelvin
|
Rankine
|
Kelvin
X 1.8
|
Dilatación.
Cuando un cuerpo se
calienta, las moléculas que lo componen empiezan a vibrar requiriendo más
espacio entre ellas, de manera que se expande el espacio en el cuerpo y con
ello el tamaño del mismo. A esta expansión del cuerpo se le conoce como
dilatación.
Existen tres tipos de dilatación
que afectan a los cuerpos solidos la dilatación lineal, de área y volumétrica cada
una con sus respectivas fórmulas que se mencionan a continuación:
Tipo de dilatación
¿a qué se refiere?
formula
lineal
En un
sólido las dimensiones son tres, pero si predomina sólo el largo sobre el
ancho y el espesor o altura, como ser una varilla o un alambre, al exponerse
a la acción del calor habrá un incremento en la longitud y no así en el ancho
y espesor
LF=L0[1+α(TF-T0)]
De área o superficial
cuando
las dimensiones predominantes son el largo y el ancho sobre el espesor o
altura al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en
la superficie
AF=A0[1+r(TF-T0)]
Volumétrica o cubica
cuando
predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un
prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un
incremento o variación en el volumen
VF=V0[1+β(TF-T0)]
Tipo de dilatación
|
¿a qué se refiere?
|
formula
|
lineal
|
En un
sólido las dimensiones son tres, pero si predomina sólo el largo sobre el
ancho y el espesor o altura, como ser una varilla o un alambre, al exponerse
a la acción del calor habrá un incremento en la longitud y no así en el ancho
y espesor
|
LF=L0[1+α(TF-T0)]
|
De área o superficial
|
cuando
las dimensiones predominantes son el largo y el ancho sobre el espesor o
altura al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en
la superficie
|
AF=A0[1+r(TF-T0)]
|
Volumétrica o cubica
|
cuando
predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un
prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un
incremento o variación en el volumen
|
VF=V0[1+β(TF-T0)]
|
Con el
fin de una mejor comprensión de lo anteriormente expuesto se ofrece una breve
explicación de los componentes de las formulas anteriores:
LF=
longitud final
L0=
longitud inicial
AF= área final
A0= área inicial
VF=
volumen fina
V0=
volumen inicial
α=
coeficiente de dilatación lineal
r=
coeficiente de dilatación de área
β=
coeficiente de dilatación de volumen
TF=
temperatura final
T0=
temperatura inicial
Los coeficientes
de dilatación varían de acuerdo al tipo de dilatación que se requiera por
ejemplo el coeficiente de dilatación lineal del hierro es 11.7X10-6 en el caso de la dilatación de área solo
debemos multiplicar el primer coeficiente por 2 que nos daría un resultado de
23.4X10-6 y para el coeficiente de dilatación cubica tendría que
multiplicarse por 3.
A
continuación una tabla con algunos de los materiales más utilizados para
construcciones y sus respectivos coeficientes de dilatación (solo de área por
lo anteriormente expuesto)
material
|
Coeficiente de dilatación
lineal
|
Aluminio
|
22.4 X10-6
|
Cobre
|
16.7 X10-6
|
Plata
|
18.3 X10-6
|
Plomo
|
27.3 X10-6
|
Níquel
|
12.5 X10-6
|
Acero
|
11.5 X10-6
|
Zinc
|
35.4 X10-6
|
Vidrio
|
7.3 X10-6
|
Oro
|
1.5 X10-6
|
Hormigón
|
2 X10-6
|
Grafito
|
.79 X10-6
|
Cuarzo
|
.04 X10-6
|
Hierro
|
11.7X10-6
|
Existe otro método para calcular el coeficiente de dilatación
de algún materia sin importar el tipo de dilatación que se requiera las formulas
son las siguientes:
α=LF-L0/L0(TF-T0)
r=AF-A0/A0(TF-T0)
β=VF-V0/V0(TF-T0)
Cuyos valores ya fueron expuestos con
anterioridad
gases
Se suele decir que el gas es uno de los estados de agregación de la materia.
Pero, en realidad, las partículas de un gas no están agregadas, sino todo lo
contrario, se mueven libremente sin apenas interactuar
las unas con las otras.
Y se mueven muy rápido, a temperatura ambiente las moléculas de aire tienen una
velocidad media alrededor de los 1800km/h
La
teoría cinética de los gases explica las características y propiedades
de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están
relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento
hasta cierto punto y que el calor es una señal de este movimiento.
La teoría cinética de los gases considera que los gases están compustos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. por tanto, al considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en primer lugar un espacio vacío en ese volumen.
La teoría cinética de los gases considera que los gases están compustos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. por tanto, al considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en primer lugar un espacio vacío en ese volumen.
El gas deja muchos espacios vacíos y esto explica la alta
comprensibilidad, la baja densidad y la gran miscibilidad de unos con
otros.
Para
todos los gases existen fórmulas con fines matemáticos las cuales abarcan los
distintos factores que se relacionan con los gases que son :
La
presión (P): la
presión es la relación entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica.
Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número
de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del
recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por
unidad de tiempo es mayor.
Temperatura (T): la temperatura es una medida de la
energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado
que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la
temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del
gas.
Volumen (V):
El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Los gases ocupan todo el volumen
disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un
recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha
cambiado el volumen del gas.
Cantidad de gas (n): La cantidad de gas está relacionada con
el número total de moléculas que se encuentran en un recipiente.
Existen
5 formulas conocidas para fines matemáticos de los gases y son:
Nombre de la ley
|
Explicación
|
Formula
|
Ley de Avogadro
|
Establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen
cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión.
|
V1/n1 = V2/n2
|
Ley de Boyle Mariotte
|
La
ley de Boyle Mariotte establece que la presión de un gas en un recipiente
cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la
temperatura es constante.
|
P1xV1
= P2xV2
|
Ley de Charles
|
Establece que cuando se aumenta la
temperatura el volumen del gas también aumenta y que al enfriar el volumen
disminuye.
|
V1/T1 = V2/T2
|
Ley de Gay-Lussac
|
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas
cuando el volumen es constante.
|
P1/T1
= P2/T2
|
Ley general de los gases
|
El volumen ocupado por la unidad de masa de un gas ideal, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, e inversamente proporcional a la presión que se recibe. |
P1xV1/T1 = P2xV2/T2
|
Gas
ideal.
Se denomina
gas perfecto o ideal, aquel que obedece exactamente las leyes relacionadas con
los gases la ley de Boyle, de Charles, de Gay-Lussac y de Avogadro en cualquier
circunstancia. Un gas que se comporta exactamente como describe la teoría
cinética; también se le llama gas perfecto. En realidad no existen gases
ideales, pero en ciertas condiciones de temperatura y presión, los gases
tienden al comportamiento ideal.
bibliografias
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Los_gases_ideales_%28GIE%29 – Universidad de Sevilla
http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/80962076/Tema04-GasIdeal.pdf
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