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Termodinámica, Rankine, Principios inmediatos, Marco teórico, Calor, Calor Específico, Equilibrio Térmico



Glosario

Termodinámica: Parte de la física que estudia los intercambios de calor y de trabajo que se producen entre un sistema y su entorno y que origina variaciones en la energía interna del mismo:
las leyes de la termodinámica establecen que la entropía del universo siempre aumenta.
Botzmann: La constante de Boltzmann (k o kB) es la constante física que relaciona temperatura absoluta y energía. Se llama así por el físico austriaco Ludwig Boltzmann, quien hizo importantes contribuciones a la teoría de la mecánica estadística, en la que esta constante desempeña un papel fundamental. Su valor es (en SI):

Rankine: Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.


Termostasis: Mantenimiento de una temperatura corporal estable, como en los animales de sangre caliente.

Principios inmediatos: sustancias nutritivas contenidas en los alimentos. Pueden ser orgánicos o inorgánicos.

Fricción: Roce de dos cuerpos en contacto.

Calorímetro: instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos.

Bibliografía

http://www.xuletas.es/ficha/principios-inmediatos-1/

http://es.wikipedia.org/wiki/Calorimetria
http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_961533918

Introducción

La calorimetría es la ciencia que mide la cantidad de energíagenerada en procesos de intercambio de calor.
El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa.




Marco teórico

El calor y el frío han sido usados para propósitos médicos durante siglos. Desde la antigüedad se recomendaba el uso del calor para algunas enfermedades (baños de aceite caliente o en aguas termales), mientras que para otras enfermedades se recomendaba la aplicación de sustancias frías. La controversia sobre estos tratamientos subsiste hasta nuestros días; sin embargo, ha habido progresos debidos a la colaboración entre médicos, físicos y pacientes.
La temperatura del cuerpo humano varía entre los 34° y los 42°C,por lo que un termómetro para medir la temperatura ambiente no es lo adecuado para el cuerpo humano. Cuando se usa un termómetro electrónico, la lectura es muy rápida, mientras que si el termómetro es de mercurio (el más común), hay que esperar el tiempo suficiente para que la lectura sea la correcta, aproximadamente 3 ó 4 minutos, de otra manera no es confiable. Otros dos dispositivos muy usados para medir la temperatura o cambios en la temperatura del cuerpo humano son el termistor y el termopar.
La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

Calor

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.
El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación,la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.
El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.
Temperatura

La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza el calor, o transferencia de energía
Concretamente, dado un sistema en él se pueda expresar como suma de energías cinéticas de todas las partículas, y suma de energías potenciales de partículas tomadas por pares (es decir, H=T+V donde V = Σi<j V(rij)), entonces tendremos que se cumple 3/2 N KBT = 1/n * Σi<n1/2 mivi². Siendo KB la constante de Boltzmann.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor ola conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalasde temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, es la escala utilizada en el Sistema Inglés Absoluto. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado.


Medición de la temperatura
La temperatura de un cuerpo no es una propiedad que pueda medirse directamente, sino que para obtenerla se emplean otras propiedades, ya sean del propio cuerpo a medir, o del aparato que se utiliza para tal fin, llamado termómetro. Este método de medir la temperatura es posible pues se conoce la relación entre la temperatura de un cuerpo y alguna otra propiedad, que puede ser, por ejemplo la dilatación. Dependiendo de la variable termométrica utilizada los termómetros reciben distintos nombres y funcionan de manera diferente.

Calor Específico

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de ella. Según esta definición, las unidades en que se expresa este calor son J/g°C. Así el calor específico del agua es de 4,184 J/gC, valor que es anormalmente elevado cuando se le compara con los de otras sustancias. Por ejemplo, el del mercurio es 0,139 y el del etanol es 2,46 J/g°C. Por lo tanto, el valor 4,184 J/g.°C implica que se necesita una gran cantidad de calor para calentar 1 g de agua o se desprendemucho calor cuando ésta se enfría. Como en el estado líquido, análogamente al estado sólido, las moléculas de agua están atraídas mediante enlaces de hidrógeno, se requiere energía calórica para romper los enlaces de hidrógeno con lo cual las moléculas se mueven más rápido, es decir, alcanzan mayor energía cinética. Pero en el caso del agua, a diferencia de otros líquidos, para una cantidad dada de calor, se eleva menos la temperatura de un gramo de agua. A 100°C todavía hay un número muy grande de enlaces de hidrógeno sin romper y para vaporizar un mol de agua se necesita cerca de cuatro veces más calor que lo esperado de no haber dicho enlace. Esta cantidad adicional de calor es la razón que explica porqué el punto de ebullición del agua es100°, mientras que el del H2S, una molécula comparable, es -61°C.El H2S no presenta enlace de hidrógeno, al menos de manera significativa.

Equilibrio Térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión.
El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura.
En realidad, el concepto de equilibriotérmico desde el punto de vista de la
Termodinámica requiere una definición más detallada que se presenta a continuación.

Definición termodinámica del equilibrio térmico

Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir de forma más precisa algunos conceptos.
Dos sistemas (entiéndase por sistema a una parte del universo físico) que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor (también llamada superficie diatérmica), se dice que están en contacto térmico.
Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.
El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo. Experimentalmente se encuentra que, en un sistema en equilibriotérmico, la temperatura en cualquier punto del cuerpo es la misma.

1: sQué es el equilibrio térmico?
R: Es el estado en el que se igualan las Temperaturas de dos cuerpos en cuyas condiciones iniciales tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las Temperaturas se suspende el flujo de calor, el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.

2: sCómo crees que nuestro cuerpo autorregula su consumo energético tanto en invierno como en verano para mantener su temperatura constante?
R: El hombre necesita energía para mantener su temperatura corporal constante (termostasis), para atender al trabajo de ciertos órganos y glándulas que nunca paran, para crecer en cierta época de la vida o reponer el desgaste diario de sus tejidos y para realizar esfuerzos musculares. Esta energía necesaria se obtiene de las sustancias nutritivas llamadas principios inmediatos, contenidas en los alimentos como los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas.
Para mantener la temperatura corporal es necesario que haya un balance entre la producción de calor y su disipación. Durante el verano, nuestro cuerpo tiende a perder cantidades significativas de calor para poder mantenerse en equilibrio con la temperatura externa. Esta perdida la realiza a través del sudor, de la evaporación.
En cambio, en invierno, hay una mayor generación de calor por parte de nuestro organismo. Disminuir la superficie corporal expuesta al frío es una estrategia para conservar la energía. De la misma manera,generamos calor en forma de ejercicio muscular involuntario, como tiritones, y ejercicio muscular voluntario.

3: sQué relación crees que hay entre este hecho y las costumbres alimenticias de las diferentes regiones de nuestro país?
Normalmente el consumo de cada persona depende de la región en la cual se encuentre. Por ejemplo, en la región de los lagos, el clima es más frío, lo cual requiere de mayor producción de calor del cuerpo. Existen alimentos de mayor valor calórico que otros que nos van a brindar mayor energía para poder realizar las actividades normales diarias. Están, por ejemplo, los carbohidratos y grasas, que son esenciales para mantener el calor corporal. La alimentación de cada región depende también del tipo de cultivo que haya en cada una.
Por otro lado, en la región de Arica, en donde el calor es predominante, es necesaria la ingestión de líquidos en mayor cantidad para mantener la temperatura corporal regulada. En cambio, en la Costa la alimentación es muy variada. En regiones pobres la ingestión de proteínas es más limitada.

Discusión

Diagrama de flujo
Adición de agua en una lata
Corte de base de las latas

Pasar alambre de extremo a extremo
Medición de temperatura inicial

Lata
sobre
trípode

Lata debajo el trípode
Encendimiento de nuez
Amarrar nuez en medio

Calculo de:
Q=m*c*aˆ†t

Medición temperatura final
Medir tiempo que demora en consumirse

Resultados

Q=m*c*aˆ†t→Q=0,30g*4,18Jg*36°-15°→Q=0,30g*4,18Jg*21°=26,334 Joule
Conclusión





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