Calor

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El calor generado por la fusión nuclear en el dom , y se transporta a la tierra en forma de radiación electromagnética, es uno de los impulsores de la vida sobre la Tierra .

En la física y la termodinámica , el calor es la energía transferida de un lugar en un cuerpo o sistema termodinámico a otro lugar, o más allá de los límites de un sistema a otro debido a un contacto térmico , incluso cuando los sistemas están a diferentes temperaturas. También es a menudo descrito como el proceso de transferencia de energía entre las entidades físicas. En esta descripción, es una transferencia de energía para el cuerpo de otra manera que por el trabajo realizado en el cuerpo. [1]

En la ingeniería, la disciplina de la transferencia de calor clasifica en la transferencia de energía entre los sistemas o que resulta en el cambio de la energía térmica de un sistema como la conducción térmica , describió por primera vez científicamente por Joseph Fourier , por el fluido de convección , que es la mezcla de fluidos calientes y fríos regiones debido a las diferencias de presión, por la transferencia de masa , y por la radiación térmica , la transmisión de la radiación electromagnética se describe por un cuerpo negro teoría.

Termodinámicamente, la energía sólo puede ser transferido por el calor entre los objetos, o regiones dentro de un objeto, con diferentes temperaturas , como consecuencia de la ley cero de la termodinámica . Esta transferencia se produce espontáneamente sólo en la dirección con el cuerpo más frío, según la segunda ley de la termodinámica . La transferencia de energía por el calor de un objeto a otro objeto con una temperatura igual o superior sólo puede suceder con la ayuda de una bomba de calor a través de un trabajo mecánico.

Un término relacionado es la energía térmica , vagamente definido como la energía de un cuerpo que aumenta con la temperatura y el volumen. El calor también se refiere a menudo como energía térmica, a pesar de muchas definiciones requieren esta energía térmica a la transferencia entre dos sistemas que se llama calor, de lo contrario, las fuentes de muchos prefieren seguir haciendo referencia a la cantidad interna de energía térmica.

Contenido

[ editar ] Información general

El calor fluye espontáneamente de los sistemas de alta temperatura en los sistemas de baja temperatura, pero el flujo de calor en la dirección contraria no es espontánea. Cuando dos sistemas de diferentes temperaturas entran en contacto térmico, que el intercambio de energía térmica, el calor, es decir, pero el cuerpo más caliente da a la energía del cuerpo más frío más térmica que toma de él, hasta que sus temperaturas son iguales, que en ese momento que obtener una estado de equilibrio térmico .

La primera ley de la termodinámica establece que la energía de un sistema aislado se conserva. Por lo tanto, para cambiar la energía de un sistema, la energía debe ser transferida hacia o desde el sistema. Para un sistema cerrado , el calor y el trabajo son los dos únicos mecanismos por los cuales la energía puede ser transferida. El trabajo realizado en un sistema es, por definición [1] , una transferencia de energía al sistema que se debe a un cambio en los parámetros externos del sistema, tales como el volumen, la magnetización , el centro de la masa en un campo gravitatorio. El calor es la energía transferida al sistema de cualquier otra manera.

En el caso de los sistemas de cierre para el equilibrio térmico en nociones tales como la temperatura se puede definir, la transferencia de calor puede estar relacionado con la diferencia de temperatura entre los sistemas. Es un proceso irreversible que conduce a los sistemas de acercarse a un equilibrio térmico mutuo.

Nociones humanas, tales como calor y frío son términos relativos y se utilizan generalmente para comparar la temperatura de un sistema a otro o de sus alrededores.

El calor puede fluir a través de la frontera del sistema y por lo tanto cambiar su energía interna .

[ editar ] Definiciones

El físico escocés James Clerk Maxwell , en su teoría clásica de 1871 de calor, fue uno de los primeros en enunciar una definición moderna de calor. Maxwell describió cuatro disposiciones para la definición de calor:

Varias definiciones modernas de calor son las siguientes:

En un sentido termodinámico, el calor no se considera que se almacena dentro de un sistema. Como el trabajo, que existe sólo como energía en tránsito de un sistema a otro o entre un sistema y sus alrededores. Cuando la energía en forma de calor se añade a un sistema, se almacena en forma de energía cinética y potencial de los átomos y las moléculas en el sistema. [4]

[ editar ] Notación y unidades

Como una forma de energía térmica tiene la unidad joule (J) en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Sin embargo, en muchos campos de aplicación en la ingeniería de la Unidad Térmica Británica (BTU) y el de calorías son de uso frecuente. La unidad estándar para la tasa de transferencia de calor es el watt (W), definida como julios por segundo.

La cantidad total de energía transferida en forma de calor que convencionalmente se escribe como Q para fines algebraica. El calor liberado por un sistema en su entorno es, por convención, una cantidad negativa (Q <0), cuando un sistema absorbe el calor de su entorno, que es positiva (Q> 0). Tasa de transferencia de calor, o el flujo de calor por unidad de tiempo, se denota por

\ Punto {Q} = {dQ \ sobre despegue} \, \! .

Flujo de calor se define como la tasa de transferencia de calor por unidad de área transversal, lo que resulta en la unidad de vatios por metro cuadrado.

[ editar ] La energía interna y entalpía

En el caso de que el número de partículas en el sistema es constante, la primera ley de la termodinámica establece que el cambio diferencial en el interior de la energía dU de un sistema está dada por la diferencia de AQ flujo de calor en el sistema menos el diferencial de trabajo ?W ejercida por el del sistema: [nota 1]

\ Mathrm {d} U = \ delta Q_ \ text {en} - \ delta W_ \ text {a} \ quad {\ rm {(primera \, \, derecho)}} ,

La transferencia diferencial de calor, Q ? en, hace aportes diferenciales, no sólo a la energía interna, sino también a la labor realizada por el sistema:

\ Delta Q_ \ text {en} = \ mathrm {d} U + \ delta W_ \ text {a} \ ,

El trabajo realizado por el sistema incluye trabajo en la frontera, lo que hace que los límites del sistema para ampliar, además de otros trabajos (por ejemplo, trabajo realizado por un eje del ventilador del compresor):

\ Delta Q_ \ text {en} = \ mathrm {d} U + \ delta W_ \ text {} límite + \ delta W_ \ text {otras} \ ,

\ Mathrm {d} U + \ delta W_ texto \ {límite} \ es igual a la diferencia de entalpía de cambio (dH) del sistema. La sustitución se obtiene:

\ Delta Q_ \ text {en} = \ mathrm {d} H + \ delta W_ \ text {otras} \ ,

Tanto la entalpía, H, y la energía interna, U, son las funciones del Estado . En procesos cíclicos, tales como el funcionamiento de un motor térmico, las funciones del Estado vuelven a sus valores iniciales. Por lo tanto, los diferenciales de la entalpía y la energía son diferenciales exactas , que son d H y U d, respectivamente. El símbolo de diferenciales exactas es la letra minúscula d.

En cambio, ni Q ni W representa el estado del sistema (es decir, no necesitan volver a sus valores originales al volver a mismo paso en el ciclo siguiente). Por lo tanto, las expresiones infinitesimal de calor y trabajo son diferenciales inexactas, ? Q y W ?, respectivamente. El delta minúscula letra griega ?, es el símbolo de los diferenciales inexactas . La integral de cualquier diferencial inexacta sobre el tiempo que tarda en salir y regresar al estado termodinámico mismo pone a cero no es necesariamente igual. Sin embargo, para los procesos que implican ningún cambio en el volumen (es decir, d V = 0), el campo magnético aplicado, o de otros parámetros externos (es decir, ? W a = 0 y W ? en = 0), ? Q forma el diferencial exacta , dS = \ frac {\ delta Q_ texto \ {rev}} {T} , En donde la relación se aplica lo siguiente:

d U = T d S = Q ? rev.

Del mismo modo, para un proceso isentrópico (es decir, ? Q = 0 y d S = 0), ? W forma el diferencial exacta, dV = \ frac {\ delta W_ \ text {rev}} {p} , En donde la relación se aplica lo siguiente:

d U = - p d = V - W ? rev,

[ editar ] Ruta independiente de ejemplos para un gas ideal

Para que un sistema simple compresible como un gas ideal dentro de un pistón, el interior de la energía cambio ? U a volumen constante y el cambio de entalpía ? H a presión constante son modelados por separado de calor capacidad de los valores, que son v C y P C, respectivamente.

Obligado a tener un volumen constante, el calor, Q, necesario para cambiar la temperatura de una temperatura inicial, T 0, a una temperatura final, T f está dada por la siguiente fórmula:

Q = \ int_ {T_0} {} T_f c_V \, dt = \ Delta U \, \!

La eliminación de la restricción de volumen y permitiendo que el sistema se expanden o contraen a presión constante, el calor, Q, necesario para cambiar la temperatura de una temperatura inicial, T 0, a una temperatura final, T f está dada por la siguiente fórmula:

Q = \ int_ {T_0} {} T_f c_p \, dt = \ Delta U + W_ \ text {límite} = \ Delta U + \ int_ {V_0} {} V_F P \, dV \, \! = \ Delta H

Tenga en cuenta que al integrar una diferencial exacta (por ejemplo, d U), la minúscula letra d se sustituye por ? (por ejemplo, ? U), y en la integración de una diferencial inexacta (por ejemplo, ? W b o u n d a y r), la minúscula griega ? carta se extrae sin reemplazo (por ejemplo, W b o u n d a y r).

[ editar ] sustancias incompresibles

Para sustancias incompresibles, como los sólidos y líquidos , la distinción entre los dos tipos de capacidad calorífica (es decir, p C, que se basa en una presión constante y v C, que se basa en el volumen constante) desaparece, ya que no se realiza el trabajo.

[ editar ] El calor latente y sensible

En una conferencia de 1847 titulada en la materia, la fuerza de vida, y el Heat, James Prescott Joule caracteriza las condiciones de calor latente y calor sensible como componentes de calor cada efectuar los fenómenos físicos distintos, a saber, la energía potencial y cinética de las partículas, respectivamente. [5] Él describió la energía latente, como la energía de interacción en una configuración determinada de las partículas, es decir, una forma de energía potencial , y el calor sensible como fuente de energía que afectan a la energía térmica, que llamó a la fuerza de vida.

El calor latente es el calor liberado o absorbido por una sustancia química o un sistema termodinámico en un cambio de estado que ocurre sin un cambio de temperatura. Tal proceso puede ser una fase de transición , tales como el derretimiento del hielo o la ebullición del agua. [6] [7] El término fue introducido alrededor de 1750 por José Negro como se deriva de la latere América (a la mentira oculta), que caracteriza su efecto que no se puede medir directamente con un termómetro.

Calor sensible, en contraste con el calor latente, es el calor intercambiado por un sistema termodinámico que tiene como único efecto un cambio de temperatura. [8] El calor sensible por lo que sólo aumenta la energía térmica de un sistema.

[ editar ] El calor específico

Calor específico , también llamado capacidad calorífica específica , se define como la cantidad de energía que tiene que ser transferido hacia o desde una unidad de masa ( kilogramo ) o cantidad de sustancia ( mol ) para cambiar la temperatura del sistema por un grado . El calor específico es una propiedad física, lo que significa que depende de la sustancia en cuestión y su estado según lo especificado por sus propiedades.

Los calores específicos de gases monoatómicos (por ejemplo, helio) son casi constantes con la temperatura. Gases como el hidrógeno diatómico mostrar algunos dependencia de la temperatura, gases y tres átomos (por ejemplo, el dióxido de carbono) aún más.

[ editar ] La entropía

En 1856, el físico alemán Rudolf Clausius definió el segundo teorema fundamental (la segunda ley de la termodinámica ) en la mecánica de la teoría del calor ( termodinámica ): "si dos transformaciones que, sin necesidad de ningún cambio permanente otros, mutuamente pueden sustituir uno al otro, se llama equivalente, las generaciones de la cantidad de calor Q de trabajo a la temperatura T, tiene la equivalencia de valor: " [9] [10]

{} \ Frac {Q} {T}

En 1865, llegó a definir esta relación como la entropía simbolizado por S, tal que, para un sistema cerrado, inmóvil:

\ Delta S = \ frac {Q} {T}

y por lo tanto, por la reducción, la cantidad de calor AQ (una diferencial inexacta ) se definen como las cantidades de sólidos disueltos totales (un diferencial exacta ):

\ Delta Q = T dS \,

En otras palabras, la función de entropía S facilita la cuantificación y la medición del flujo de calor a través de un límite termodinámico .

Para ser precisos, esta igualdad sólo es válida si el ? calor Q se aplica de forma reversible. Si, por el contrario, los procesos irreversibles están involucrados, por ejemplo, algún tipo de fricción, entonces en vez de la ecuación anterior se tiene

\ Delta Q \ leq T dS \ quad {\ rm {(segunda \, \, derecho)}} \,.

Esta es la segunda ley de la termodinámica.

[ editar ] La transferencia de calor en la ingeniería

Una barra de hierro al rojo vivo de la cual la transferencia de calor al medio ambiente circundante será principalmente a través de la radiación .

La disciplina de la transferencia de calor , por lo general considerado como un aspecto de la ingeniería mecánica y la ingeniería química , se refiere a los métodos específicos aplicados por el cual se produce la transferencia de calor. Tenga en cuenta que si bien la definición de calor significa, implícitamente, la transferencia de energía, la transferencia de calor término ha adquirido este uso tradicional de la ingeniería y en otros contextos. La comprensión de la transferencia de calor es fundamental para el diseño y el funcionamiento de numerosos dispositivos y procesos.

La transferencia de calor puede ocurrir por los mecanismos de conducción , radiación , y la transferencia de masa . En ingeniería , el término de transferencia de calor por convección se utiliza para describir los efectos combinados de la conducción y el flujo de líquido y es a menudo considerado como un mecanismo adicional de transferencia de calor. Aunque por separado las leyes físicas han sido descubiertas para describir el comportamiento de cada uno de estos métodos, los sistemas reales pueden exhibir una combinación complicada. Diversos métodos matemáticos han sido desarrollados para resolver o aproximar los resultados de la transferencia de calor en los sistemas.

[ editar ] Semántica conceptos erróneos

Existe cierto debate en la comunidad científica sobre exactamente cómo el calor debe usarse el término. [11] En el lenguaje científico actual, el lenguaje que rodea el término puede estar en conflicto e incluso engañosa. Un estudio demostró que varios libros de texto popular utilizado un lenguaje que implica varios significados de la palabra, que el calor es el proceso de transferencia de energía, que es la energía transferida, es decir, como si se tratara de una sustancia, y que es una entidad contenida dentro de un sistema, entre otras descripciones similares. El estudio determinó que no era raro que una combinación de estas representaciones a aparecer en el mismo texto. [12] Se encontró que el uso predominante entre los físicos a ser que si se tratara de una sustancia.

En una conferencia de 2004, Friedrich Herrmann mencionó que la confusión puede ser consecuencia de la práctica moderna de la definición de calor en términos de energía, que está en desacuerdo tanto con las definiciones científicas histórico y con el concepto laico moderno de calor. Argumenta que la cantidad de calor introducido por José Negro en el siglo 18, y como se utiliza ampliamente por Sadi Carnot , era en realidad lo que hoy se conoce como entropía - algo poseído por una sustancia en cantidades relacionadas con la temperatura de esa sustancia y la masa, que sale de una sustancia y entra en otro en presencia de un gradiente de temperatura y se pueden crear de muchas maneras pero nunca destruida. Además, sostiene que el concepto laico de calor es también, esencialmente, el concepto de entropía, y por lo tanto en la redefinición de calor para referirse a un concepto de energía, la ciencia moderna crea una presentación innecesariamente difícil y confuso de la física térmica. [13]

[ editar ] Aplicación

De acuerdo con la primera ley, la energía térmica se puede cambiar de trabajo. Esto sucede en los llamados motores de calor , por ejemplo, la máquina de vapor . Pero aquí la segunda ley entra en juego. Esto se traduce en la regla general - para mantener la "pérdida de calor" pequeña - la temperatura final debe ser baja. Por el contrario, las llamadas bombas de calor pueden tomar calor a baja temperatura a partir de una "reserva", por ejemplo, de la tierra, y lo entregará por medio de trabajos de electricidad a una temperatura superior a la calefacción. Ahora la diferencia de temperatura debe ser pequeña, para mantener el "trabajo de electricidad perdida" pequeña.

[ editar ] Véase también

[ editar ] Notas

  1. ^ Una convención alternativa es considerar el trabajo realizado en el sistema de su entorno. Esto conduce a un cambio de signo de la obra. Esta es la convención adoptada por muchos libros de texto modernos de la química física, tales como las de Peter Atkins y Levine Ira, pero muchos libros de texto de física define el trabajo como el trabajo realizado por el sistema.

[ editar ] Referencias

  1. ^ un b F. . Reif (2000) Fundamentos de Física Estadística y Térmica. Singapur : McGraw-HLL, Inc.. p. 67. ISBN 0-07-X-Y85615 .  
  2. ^ Discurso sobre el calor y el trabajo - Departamento de Física y Astronomía, Universidad Estatal de Georgia: Hyperphysics (en línea)
  3. ^ Schroeder, Daniel V. (2000) Una introducción a la física térmica.. San Francisco, California : Addison-Wesley . p. 18. ISBN 0-321-27779-1 . "El calor se define como cualquier flujo espontáneo de la energía de un sistema a otro, causado por una diferencia de temperatura entre los sistemas."  
  4. ^ Smith, JM, Van Ness, HC, Abad, MM (2005). Introducción a la Ingeniería Química Termodinámica. McGraw-Hill. ISBN 0073104450 .  
  5. ^ JP Joule (1884), el documento científico de James Prescott Joule, la Sociedad de Física de Londres, p. 274: "Yo me inclino a creer que estas dos hipótesis se encuentra en buen agarre,-que en algunos casos, especialmente en el caso de calor sensible, o como se indica en el termómetro, el calor se descubrió que consistía en la fuerza de vida de las partículas de los cuerpos en los que se induce, mientras que en otros, especialmente en el caso del calor latente, los fenómenos se producen por la separación de las partículas de las partículas, con el fin de hacer que se atraen entre sí a través de un mayor espacio ".   , Conferencia sobre la materia, la fuerza de vida, y el calor. 05 de mayo y 12 de 1847
  6. ^ Perrot, Pierre (1998). A a la Z de la termodinámica. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6 .  
  7. ^ Clark, John, OE (2004). El Diccionario Esencial de la Ciencia. Barnes & Noble Libros. ISBN 0-7607-4616-8 .  
  8. ^ Ritter, Michael E. (2006). "El medio físico: una Introducción a la Geografía Física" . http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/energy/energy_balance.html .  
  9. ^ publicado en Annalen Poggendoff es, diciembre 1854, vol. XCIII. p. 481, traducido en el Journal de Mathématiques, vol. xx. París, 1855, y en el Philosophical Magazine, agosto de 1856, s. 4. vol. xii, p. 81
  10. ^ Clausius, R. (1865). La teoría mecánica del calor], con sus aplicaciones a la máquina de vapor y las propiedades físicas de los cuerpos. Londres: John van Voorst, un Paternoster Row. MDCCCLXVII.
  11. ^ "Una revisión de literatura seleccionada sobre ideas erróneas de los estudiantes de calor" Bo?aziçi Universidad Revista de Educación 20 (1):. 25-41. 2003. http://buje.boun.edu.tr/upload/revizeedilmis/45bc61ceeb94344a0664C646d01.pdf .  
  12. ^ Brookes, D.; Horton, G.; Van Heuvelen, A.; Etkina, E. (2005). "En cuanto el discurso científico sobre el calor" Enseñanza de la Física 2004 Conferencia de Investigación (Proceedings Conferencia AIP) 790:.. 149-152 DOI : 10.1063/1.2084723 . http://research.physics.illinois.edu/per/David/perc2004_revised.pdf .  
  13. ^ Herrmann, Friedrich (2004). "Entropía desde el principio" . . En E. Mechlová Conferencia GIREP 2004 Actas: Enseñanza y aprendizaje de la física en contextos nuevos. Universidad de Ostrava. pp 35-40. ISBN 80-7042-378-1 . http://www.girep.org/proceedings/conference2004/Friedrich_Herrmann_-_Entropy_from_the_Beginning.pdf . Consultado el 03 de septiembre 2010.  

[ editar ] Enlaces externos

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