Equilibrio térmico, Temperatura, Intercambio de energía, Calor específico, Calor latente y recapitulación de éstos mismos.

Equilibrio térmico.

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio término.

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma.

Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.

El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía.

El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos.

Temperatura

La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:T (K) = t(ºC) + 273

Intercambio de energía interna.

Se denomina energía interna  (U) de un sistema a la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo componen. Debido a la gran cantidad de partículas involucradas, es imposible medir la energía interna de un sistema, por lo que únicamente pueden medirse las variaciones de la misma.

En el tema dedicado a la energía vimos que la energía total contenida en un sistema es constante, que se conserva en todo momento. Así podemos particularizar la ley de conservación de la energía a un sistema termodinámico aislado. En tal caso, no existe intercambio de materia con el entorno con lo que, según se ha visto, únicamente puede transferirse energía en forma de trabajo o de calor, lo que da lugar al enunciado del primer principio de la termodinámica:

La variación de la energía interna (U) de un sistema es igual a la suma de la energía suministrada en forma de trabajo (W) más la aportada en forma de calor (Q).

 

Matemáticamente:  

Resulta necesario establecer un convenio de signos para la energía intercambiada, en el que se considerará positivo todo intercambio de energía, ya sea en forma de trabajo o de calor, que aumente la energía interna del sistema, y negativo si la disminuye. Así:

·         Si el entorno realiza un trabajo sobre el sistema, aumenta la energía interna del sistema y W > 0

·         Si el sistema realiza un trabajo sobre el entorno, disminuye la energía interna del sistema y W < 0

·         Si el sistema recibe calor del entorno, se calienta, aumenta la energía interna y por tanto Q > 0

·         Si el sistema cede calor al entorno, se enfría, la energía interna disminuye y Q < 0

En la imagen siguiente puedes observar gráficamente este convenio:

 

Los sistemas termodinámicos no se caracterizan por tener trabajo ni calor, sino que tienen energía interna. Trabajo y calor simplemente son las formas de variar su energía interna.

Semana11 martes SESIÓN 31	Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía
contenido temático	Equilibrio térmico, Temperatura e intercambio de energía, modelo cinético molecular modelo de partículas

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Conocerán el intercambio de energía, ·         Aplicaran el modelo de partículas para explicar los cambios. Procedimentales ·         Describe los cambios de temperatura producidos por intercambio de energía ·         Manejo de material de laboratorio ·         Medición y relación de variables. ·         Presentación en equipo Actitudinales ·          Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De Laboratorio: -          Material: Parrilla electrica, termómetro,dos vasos de precipitados de 250 ml, , botella desechable, con tapa.       -          Sustancias: agua. De computo: -          PC conexión a internet. De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos o tipo cañón. Didáctico: -          Presentación  escrita en Word de la información indagada del programa del curso, en acetatos o Presentador.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase presenta las siguientes preguntas: Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna. Pregunta ¿Qué se requiere para obtener un equilibrio térmico? ¿Cuándo se logra el equilibrio térmico? ¿Cuáles son las escalas de temperatura conocidas? ¿Cuáles son las fórmulas para intercambiar las diferentes escalas térmicas? ¿Cómo se representaría esquemáticamente  el intercambio de energía interna entre dos materiales? Como se Representar el equilibrio térmico a nivel molecular de dos diferentes materiales? Equipo 5 2 1 4 3 6 Se necesita un cuerpo de mayor temperatura que interacciones con uno de menor temperatura para que los dos tengan la misma energía térmica. Cuando dos cuerpos alcanzan  una misma temperatura. Celsius ( OC ) Fahrenheit (oF) Kelvin (oK) Rankine (OR) 1.        Para convertir de ºC a ºF use la fórmula:   ºF = ºC x 1.8 + 32. 2.        Para convertir de ºF a ºC use la fórmula:   ºC = (ºF-32) ÷ 1.8. 3.        Para convertir de K a ºC use la fórmula:   ºC = K – 273.15 4.        Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15. 5.        Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15. 6.        Para convertir de K a ºF use la fórmula:   ºF = 1.8(K – 273.15) + 32.   Un objeto con mayor energía transfiere su energía a uno con menor energía hasta lograr un equilibrio térmico ¿Qué es la energía interna de la materia? ¿Cómo se puede emplear la energía interna de la materia para producir trabajo? Los alumnos discuten en equipo y escriben sus respuestas en documento electrónico, para contrastarlas con los demás equipos. FASE DE DESARROLLO Procedimiento: 1.- Colocar las cantidades indicadas de agua en el vaso1 y el vaso de precipitados.2 Mezclar el agua del vaso1al vaso de precipitados 2. Medir y anotar las temperaturas y tiempo de equilibrio. Equipo Ml de agua en el Vaso1 Temperatura o C Ml de agua en el Vaso de precipitados 2 Temperatura o C Tiempo de equilibrio minutos Temperatura de equilibrio °C 1 50 25 25 95 1.57 35 2 75 35 50 80 16.46 42 3 100 50 75 65 3.23 55 4 125 65 100 50 2.31 58 5 150 80 125 35 3.56 61 6 175 82 150 25 2.18 53    Graficar los datos: tiempo-temperatura de equilibrio. 2.-  Colocar tres ml de agua en la botella desechable -         Calentar la botella con agua hasta que salga vapor por la boca de la botella. -         Tapar inmediatamente la botella y enfriarla. -         Anotar los resultados y conclusiones. -          Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor FASE DE CIERRE        Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal relativa a la aplicación del modelo de partículas para explicar los cambios de energía.                     Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Calor específico y calor latente.

Calor especifico es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de masa c=Q/mT (Q es el calor, T es temperatura y m la masa)

Calor latente es la cantidad de calor necesaria para que la materia cambie de estado, es decir de solido a líquido, de líquido a gas y al revés se denota por L=Q/m (Q es el calor y m la masa)

Los procesos adiabáticos son los que en el sistema no intercambia calor con los alrededores

Semana11 jueves SESIÓN 32	Propiedades térmicas de las sustancias
contenido temático	Calor especifico y latente de sustancias

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Conocerán el Calor especifico y latente de sustancias Procedimentales ·         Calcula  calor específico de materiales. ·         Manejo del calorímetro ·         Medición y relación de variables Actitudinales Reafirmaran su: Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De Laboratorio: -          Calorímetro, parrilla eléctrica, placas de metal, cobre, aluminio, plomo, vaso de precipitados 250 ml. De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos o de cañón De computo: -          PC conexión a internet. -          Programas  Hoja de cálculo, procesador de palabras, presentador. Didáctico: -          Indagaciones del alumno, presentadas en documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase,  revisa el resumen elaborado por cada alumno y lo registra en la lista. Plantea a los alumnos las preguntas siguientes: Preguntas ¿Qué es el calor específico de una sustancia? ¿Cómo se calcula el calor específico de una sustancia? Ejemplo de calores específicos de las sustancias sólidas,  liquidas y gaseosas. ¿Qué es el calor latente de una sustancia? ¿Cuál es el modelo matemático del calor latente de las sustancias? ¿Qué unidades se emplean en el calor específico de una sustancia y el calor latente? Equipo 1 2 3 4 5 6 Respuesta Cantidad de calor requerida para elevar 1º C la temperatura de una unidad de peso de cualquier sustancia Obtén la masa de tu material en kilogramos, "m", y la cantidad de energía que se transfiere a la masa en joules, "q".Calcula el cambio de temperatura en Celsius, "delta-t". Por ejemplo, si la temperatura inicial de tu material es de 10 grados Celsius y la temperatura final es de 15 grados Celsius, entonces "delta-t" equivale a 5 grados Celsius. Calcula el calor específico, "c", usando la fórmula c = q / (m x delta-t).Por ejemplo, si la energía que está siendo aplicada es de 1000 joules, la masa es de 1,5 kilogramos y delta-t equivale a 10, el calor específico de tu material es 1000 / (1,5 x 10) = 66,66 J/kg-C. Por ejemplo par que el agua pase de estado liquido a gaseoso es nesesario que tenga un calor de 100° y para que el agua comiense a congelarse se equiere que estea una temperatura menor de 0° El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. El concepto fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black. Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica: Q = m·Ce·(Tf-Ti) En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final. Por lo tanto Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura). Las unidades más habituales de calor específico son: - J / (kg • K) -cal / (g • °C). Calor latente o de fusión: tf [°C] Lf [cal/g] te [°C] Le [cal/g] ¿Cómo se define el calor específico de las sustancias? En equipo los alumnos discuten sus respuestas y después sintetizan el contenido                                                              presentándolo al resto del grupo.   FASE DE DESARROLLO Calcular el calor  específico de los metales. La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula Q=m·c·(Tf-Ti) Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final Calcular el calor  específico de los metales.  Procedimiento: Pesar las placas de aluminio y cobre. Pesar 100 ml de agua en el vaso de precipitados. Colocar la barra de metal en  el vaso de precipitados y calentar hasta ebullición. Con las pinzas colocar la barra de metal en el calorímetro con 100ml de agua, midiendo su temperatura inicial y final de equilibrio. Observaciones: Temp. Metal COBRE Masa gramos del  metal Temperatura inicial del agua en el  calorímetro Temperatura de equilibrio en el  calorímetro Calculo del calor especifico Q=m·c·(Tf-Ti) Calcular el calor  específico de los metales.  Procedimiento: Pesar las placas de aluminio y cobre. Pesar 100 ml de agua en el vaso de precipitados. Colocar la barra de metal en  el vaso de precipitados y calentar hasta ebullición. Con las pinzas colocar la barra de metal en el calorímetro con 100ml de agua, midiendo su temperatura inicial y final de equilibrio. Observaciones: Temp. Metal Aluminio Masa gramos del  metal Temperatura inicial del agua en el  calorímetro Temperatura de equilibrio en el  calorímetro Calculo del calor especifico Q=m·c·(Tf-Ti) Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0 Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0 La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto, convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador. Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y sea mv es la masa del vaso del calorímetro y cv su calor específico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro y ct su calor específico ma la masa de la parte sumergida del agitador y ca su calor específico M la masa de agua que contiene el vaso, su calor específico es la unidad Por otra parte: Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T. En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación. (M+mv·cv+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(Te-T)=0 La capacidad calorífica del calorímetro es k=mv·cv+mt·ct+ma·ca Se le denomina equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua. Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro y es una constante para cada calorímetro. El calor específico desconocido del será por tanto   En esta fórmula tenemos una cantidad desconocida k, que debemos determinar experimentalmente. FASE DE CIERRE Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal relativa al calor especifico y latente de los materiales.                      Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Y por último la recapitulación de éstos temas:

Semana11 viernes SESIÓN 33	Recapitulación 11
contenido temático	Calores latente y específico de las sustancias.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Conocerán el equilibrio térmico, intercambio de energía, calores específico y latente. Procedimentales ·         Elaboración de transparencias en documento electrónico o acetatos y manejo del proyector. ·         Relacionara la transferencia de energía para determinar los calores latente y específico de las sustancias ·         Discusión en equipo ·         Presentación en equipo Actitudinales ·          Confianza, colaboración, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos De computo: -          PC, y proyector tipo cañón, -          programas: Gmail, Google docs. Didáctico: -          Presentación escrita, en acetatos o Power Point.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase.  - Cada equipo realizara una autoevaluación de los temas aprendidos en las dos sesiones anteriores. ¿Qué temas se abordaron? ¿Que aprendí? ¿Qué dudas tengo? Equipo 1 2 3 4 5 6 Respuestas 1. temas vistos: Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna. Calor específico y latente 2. Que aprendimos? Aprendimos que todos los cuerpos tienen energía interna y que al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, la mayor cede parte de su energía a la de menor y las temperaturas se igualan y a esto se le conoce como "equilibrio térmico" 3. dudas: ninguna 1)Equilibrio térmico, temperatura, intercambio de energía interna y calor específico y latente 2) aprendimos en qué consiste el equilibrio térmico; al juntar dos cuerpos, el de mayor temperatura le transferirá calor al de menor hasta llegar al equilibrio. También como se calcula el calor específico y latente. 3) ninguna 1.-comprendimos lo que es el calor especifico y latente el equilibrio térmico y el intercambio de temperatura entre varias sustancias 2.-aprendimos a medir el tiempo que tarda en transferirse cierta temperatura de una sustancia a otro a según su cantidad 3.- ninguna 1) Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna y calor específico y latente. 2) Aprendimos que todos los cuerpos tienen una energía interna, la temperatura es la medida en cantidad de energía de un objeto la cual se puede medir por Fahrenheit (°f) Celsius (°c) y kelvin (°k). El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar para elevar su temperatura en una unidad y el calor invertido en el proceso para la unidad de masa recibe el nombre de calor latente. 3) Ninguna duda. 1.- Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna. Calores especifico y latente 2.- aprendimos que es el equilibrio térmico, la temperatura y como se componen los calores específicos y los latentes 3.- el equipo nº 5 no tiene ninguna duda I)1.-Equilibrio térmico, temperatura intercambio de energía interna 2.-calor específico y latente. II) aprendimos que para representar el intercambio de energía Un objeto con mayor energía transfiere su energía a uno con menor energía hasta lograr un equilibrio térmico. También que el equilibrio térmico se alcanza cuando dos cuerpos alcanzan una misma temperatura III) NINGUNA - Solicita a los alumnos elaboren un resumen escrito en Word acerca de los temas  conocidos en las dos sesiones anteriores. FASE DE DESARROLLO - Les solicita que un alumno de cada equipo lea el resumen elaborado. - El Profesor pregunta acerca de las dudas que tengan acerca de los temas vistos en las dos sesiones anteriores. FASE DE CIERRE        El Profesor concluye con un repaso de la importancia de las propiedades térmicas de la materia y su relación con Ciencia. Tecnología y Sociedad. -          Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de la plataforma MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

 Semana 11 

20 ,23 ,24-10-2014

http://www.definicionabc.com/ciencia/equilibrio-termico.php

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/tema3.htm

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/variables.html#funcion

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/resumen1p.html

http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/31_energa_interna.html