Fenómenos térmicos I

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FENÓMENOS TÉRMICOS I
“CAMBIO DE TERMPERATURA”
FÍSICA
OBJETIVOS
Actualmente nos
miden constantemente
la temperatura… ¿Qué
es Temperatura?
Cuantas veces hemos sentido
el calor del vapor de agua…
Pero ¿Qué significa CALOR desde
el punto de vista de la Física ?
 Comprender la definición de CALOR.
 Definir la Energía Interna y la Temperatura.
 Analizar el fenómeno que se da
debido al calor (cambio de
temperatura).
MODELO MECÁNICO MOLECULAR DE LAS SUSTANCIAS
El comportamiento y las diversas propiedades que presenta
un sólido, un líquido o un gas (sustancias puras) le han
permitido al hombre hacerse de una idea de como los
átomos y moléculas están ligadas.
Solido
Existe gran cohesión 
molecular por la cual 
estas experimentan 
pequeñas oscilaciones 
respectos a sus 
posiciones de equilibrio.
Líquido
Las moléculas tienen mayor grado de libertad(mayor 
movilidad) debido a la débil atracción entre sus moléculas.
GAS
Las moléculas tienen gran movilidad siendo la distancia 
entre ellas bastante grande comparada con sus 
dimensiones por ello la atracción molecular es casi nula.
Recordemos el lanzamiento del bloque sobre la superficie rugosa.
ENERGÍA INTERNA 
𝑣 𝑣 = 0
𝐸𝑀(0) = 𝐸𝐶 ≠ 0 𝐸𝑀(𝑓) = 0
¿Qué pasó con la energía mecánica del bloque?
Para entender la energía térmica veamos lo que ocurre en el 
interior de un cuerpo. 
Esta se ha transformado en energía sonora y en calor. los
cuerpos en contacto ganaron ese calor. Y al ganar dicha
energía el bloque y el piso elevan su energía térmica.
Las moléculas están en constante movimiento
(vibración, rotación) e interacción entre si, por ello
presentan energía cinética, y energía potencial.
𝑈 = Σ𝐸𝑐 + Σ𝐸𝑝
Σ𝐸𝑐 : Energía cinética asociada al movimiento molecular.
Σ𝐸𝑝 :Energía potencial asociada a la interacción molecular.
Todo cuerpo presenta Energía Interna (𝑈) debido al 
movimiento e interacción molecular. El cual 
matemáticamente viene dada por:
Así concluimos que:
Si analizamos la energía mecánica del bloque.
Es una magnitud física escalar (macroscópica) que
nos mide grado de agitación molecular que presenta
un cuerpo o una sustancia.
Tener en cuenta que la temperatura esta asociada
directamente con la energía cinética en promedio por
molécula.
𝑇𝐴 = 10°C 𝑇𝐵 = 40°C 𝑇𝐶 = 70°C
𝐸𝐶(𝐴) 𝐸𝐶(𝐵) 𝐸𝐶(𝐶)
TEMPERATURA 
El cálculo de la energía interna de un cuerpo es casi imposible
debido al gran número de moléculas que posee y a su
constante variación de velocidad y posición. Sin embargo se
puede medir la energía interna en forma indirecta a través de
otros parámetros que si se podrán medir de forma directa. Uno
de estos parámetros es la TEMPERATURA.
Observación
Entonces:
𝐸𝑐(𝑐) > 𝐸𝑐(𝐵) > 𝐸𝑐(𝐴)
Por tanto:
𝑇𝐶 > 𝑇𝐵 > 𝑇𝐴
Podemos asegurar lo siguiente:
𝑈 = Σ𝐸𝑐 + Σ𝐸𝑝Como:
I. Si aumenta la temperatura, la energía interna de la 
sustancia aumenta.
II. Si disminuye la temperatura, la energía interna de la 
sustancia disminuye.
III. Si aumenta la energía interna, no necesariamente 
aumenta la temperatura.
Esta en función a la temperatura
Punto de 
ebullición del 
agua
Punto de fusión 
del agua
Cero absoluto
Comparación de escalas 
termométricas
Observación: 
La escala absoluta o escala Kelvin está determinada por
la siguiente igualdad:
𝑇( 𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛) = 𝑇(𝐶𝑒𝑙𝑠𝑖𝑢𝑠) + 273
Aplicación 1:
El Premio Nobel de Física de 1978 les fue otorgado a Arno
Penzias y Robert Wilson: ellos descubrieron la radiación de
fondo cósmica de microondas y observaron que ese “ruido”
parecía venir de todos lados del espacio; finalmente
encontraron que ese fenómeno sería el producto de la
radiación electromagnética residual del Bing Bang, el cual
ocurrió hace 13,7 mil millones de años. Un análisis de esa
radiación condujo a la deducción de que la temperatura de
fondo del universo es de 2,725 𝐾. ¿Cuál de las siguientes
temperaturas en °𝐶 se aproxima más a la temperatura de
fondo del universo?
A) ‒50,325 °𝐶 B) ‒230,325 °𝐶
C) ‒320,125 °𝐶 D) ‒285,175 °𝐶
E) ‒270,275 °𝐶
UNMSM 2019-II
Resolución:
Se sabe que: 𝑇𝐾 = 𝑇𝐶 + 273
2,725 = 𝑇𝐶 + 273
∴ 𝑇𝐶 = −270,275 °𝐶
Nos piden la temperatura del fondo del universo en °C
Examinemos lo que ocurre cuando dos bloques
a diferentes temperaturas son puestos en
contacto en el interior de un recipiente
térmicamente aislado.
𝑇1 = 10 °𝐶 𝑇2 = 90 °𝐶
Moléculas del
bloque (2) con 
alta vibración
𝑇2 = 90 °𝐶
Moléculas del 
bloque (1) con 
baja vibración
𝑇1 = 10 °𝐶
Al estar los dos cuerpos a diferentes temperaturas, el de mayor
temperatura (que tiene moléculas con más energía cinética)
entregará energía interna al de menor temperatura.
A esta transferencia de energía (energía en transito ) que se da
debido a la diferencia de temperaturas se le conoce como CALOR (𝑄).
𝑇1 = 10 °𝐶 𝑇2 = 90 °𝐶𝑇𝑒𝑞
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
Por un balance de energía se tiene:
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
INTERACCIÓN TÉRMICA
Veamos ello con un diagrama lineal:
La transferencia de energía culmina cuando ambos cuerpos presenten 
la misma temperatura (temperatura de equilibrio 𝑻𝒆𝒒).
Cuando el sistema alcanza la temperatura equilibrio, diremos que
este sistema alcanzó el equilibrio térmico.
Efectos producidos por el calor:
1. Cambio de temperatura
2. Cambio de fase 
3. Cambio de dimensiones del cuerpo.
CAMBIO DE TEMPERATURA
Calor
(𝑄)
ΔT
𝑄 𝐷𝑃 Δ𝑇
Δ𝑇
Colocamos en dos recipientes masas
iguales de agua a la misma
temperatura inicial.
Si a uno de ellos le damos más calor,
entonces este experimenta mayor
cambio de temperatura.
Δ𝑇 Δ𝑇 Ahora consideremos masas distintas de
agua.
Para que logren un mismo cambio de
temperatura, se necesita una cantidad
de calor proporcional a la masa.
𝑄 𝐷𝑃 𝑚
𝑸𝑸
Entonces: 
𝑄
𝑚∆𝑇
= 𝑐𝑡𝑒
Depende de la sustancia y se
denomina calor específico (𝐶𝑒)
𝑄 = 𝐶𝑒 𝑚∆𝑇
𝑄 : Calor sensible, en calorías o Joule (1 J <> 0,24 cal)
Donde:
𝑚 : masa de la sustancia ( En gramos o kilogramos)
∆𝑇: cambio de temperatura (En °C o Kelvin) 
𝐶𝑒 : Calor especifico, es una característica térmica
propia de cada sustancia, depende de la fase en la
que esta se encuentra y de la temperatura, se
define como la cantidad de calor que se debe
entregar o quitar a un gramo de una sustancia para
que su temperatura varié en un grado centígrado.
Para el agua: 𝐶𝑒 (𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) = 1
𝑐𝑎𝑙
𝑔°𝐶
𝐶𝑒 (ℎ𝑖𝑒𝑙𝑜) = 0,5
𝑐𝑎𝑙
𝑔°𝐶 𝐶𝑒 (𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟) = 0,5
𝑐𝑎𝑙
𝑔°𝐶
𝑄𝑠 = 𝐶∆𝑇
Capacidad calorífica (C) 
Es la cantidad de calor que se debe entregar o
quitar a una sustancia para que toda su masa varié
su temperatura en un grado centígrado.
𝐶 =
𝑄𝑠
∆𝑇
Cal/℃
Nota:
Capacidad calorífica despreciable significa que la
sustancia no gana ni pierde calor, es decir se
comporta como un aislante térmico.
Un recipiente de capacidad calorífica
despreciable esta elaborado de un
material, el cual, presenta un calor
especifico muy bajo (idealmente Ce = 0),
de tal manera que no intervendría en la
transferencia de calor.
Ejemplo:
Un vaso de Tecnopor
Las asas de las ollas
Aplicación 2:
Un recipiente de capacidad
calorífica de 200 cal/°C contiene
500g de agua a 20°C. ¿Cuánto
calor se le debe suministrar al
sistema para que lleguen a
80°C?
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 500 𝑔
𝐶𝑅 = 200𝑐𝑎𝑙/°𝐶 𝑇0 = 20°𝐶
𝑸
𝑇𝑓 = 80°𝐶
El calor suministrado lo absorbe tanto el recipiente como el agua. Por ello 
tenemos:
𝑄 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜
= 𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
+ 𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
= 𝑐𝑒(𝑎𝑔𝑢𝑎)𝑚∆𝑇
= 1
𝑄 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜
= 42000𝑐𝑎𝑙
+ 𝐶𝑅∆𝑇
+ 200500 (60)
∆𝑇 = 60°𝐶
(60)
Resolución:
Piden el calor suministrado "𝑄”
En un recipiente térmicamente aislado
se mezclan 40 g de H2O a 50 °C, con 60 g
de H2O a 80 °C. ¿Cuál es la temperatura
de equilibrio?
Resolución: 
Para calcular la temperatura de
equilibrio vamos a realizar el
diagrama lineal de temperatura.
A
𝑇𝐴 = 50°𝐶
B
𝑇𝐵 = 80°𝐶
𝑚𝐴 = 40 𝑔 𝑚𝐵 = 60𝑔
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
𝑇𝑒𝑞
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
𝐶𝑒𝑚𝐴∆𝑇𝐴 = 𝐶𝑒𝑚𝐵∆𝑇𝐵
1
∴ 𝑇𝑒𝑞 = 68 °𝐶
Aplicación 3:
𝑇1 = 50 °𝐶 𝑇2 = 80 °𝐶𝑇𝑒𝑞
Se tiene:
40 𝑇𝑒𝑞 − 50 = (1) (60)(80 − 𝑇𝑒𝑞)
2 3
2𝑇𝑒𝑞 − 100 = 240 − 3𝑇𝑒𝑞
C U R S O D E F Í S I C A
Aplicación 4: Resolución: Piden: ∆𝑇
2kg
𝑣𝑜 =10 m/s
𝑣𝑓 = 0
𝐸𝑑𝑖𝑠
Por condición del problema:
𝐸𝑑𝑖𝑠 = 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑏𝑙𝑜𝑞𝑢𝑒 = 𝑄𝑠
𝐸𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑄𝑠
1
2
𝑚𝑣𝑜
2 = 𝐶𝑏∆𝑇
1
2
2 10 2
24
100
= 12(∆𝑇)
∆𝑇 = 2 𝐶°
Entonces:
Un bloque de 2kg es lanzado con
una rapidez de 10m/s. Si la energía
disipada es absorbida
completamente por el bloque,
determine la variación de la
temperatura hasta el instante que
se detiene. Considere que la
capacidad calorífica del bloque es
de 12 cal/ °C. ( 1J <> 0,24cal )
𝐽 𝑐𝑎𝑙
(
1
2
𝑚𝑣𝑜
2) (0,24) = 𝐶𝑏∆𝑇
w w w. a d u n i . e d u . p e