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Instructor: Ing. Luis Gomez Quispe
SEMESTREIII - 2017
1
ADMINISTRACION DE EMPRESA
OPERACIONES INDUSTRIALES
SEMANA 15 : CALORIMETRIA
Inst. Ing. Luis Gomez Quispe
OBJETIVO GENERAL
Al término de la sesión el
aprendiz, será capaz de, poder
utilizar los conceptos de
calorimetría para resolver
problemas específicos en las
empresas.
Energía interna de un cuerpo
4
Conceptos básicos de la energía (1/2)
La energía:
Permite al universo mantenerse en movimiento
Hace posible las funciones de los seres vivos
Influye de manera decisiva en las actividades humanas
Hace funcionar los aparatos, equipos, dispositivos, etc.
Estos hechos involucran diferentes formas ytransformaciones de energía, de una forma de energía aotra.
La energía se encuentra en todas partes (todos loscuerpos tienen energía).
Para que ocurra un cambio o fenómeno en la natu-raleza,debe participar la energía en alguna de sus formas ytransformarse en otra.
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Conceptos básicos de la energía (2/2)
En todo proceso la energía total se conserva. La energía total final esigual a la energía total inicial. Efinal = Einicial.
La energía no aparece por generación espontánea ni desapa-rece o sedestruye.
Cuando la energía se transforma de una forma a otra, la cantidad deenergía en su nueva forma es igual a la cantidad de energía que tenía ensu forma anterior.
Cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro, la energía que ganauno de los cuerpos es igual a la energía que pierde el otro cuerpo. Egana =- Epierde
La transformación de la energía de una forma a otra ladebemos utilizar en nuestro beneficio, pero con el cuidadodel ambiente, es decir sosteniblemente.
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La ENERGÍA INTERNA es la energía que tienen loscuerpos, asociada a los átomos, moléculas o partí-culas que los constituyen.
Las contribuciones a la energía interna son:
Energía cinética (microscópica) de los átomos, iones, molé-culas o arreglos cristalinos.
Energía potencial (microscópica) de interacción entre laspartículas.
Energía química (de los enlaces entre los átomos que seforman en las moléculas o en los arreglos cristalinos).
Energía de electrones y núcleo de los átomos.
Energía Interna (1/2)
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Los cuerpos están constituidos por partículas; sean éstas moléculas, iones o átomos.
Al combinar los átomos para formar una sustancia, se crean los enlaces químicos.
Por cada enlace que se forma se libera energía.
Por cada enlace que se rompe se requiere energía.
En las reacciones químicas se rompen y se crean enlaces.
El “calor de la reacción” es la suma de la energía requeridapara romper enlaces menos la energía que se libera al formarenlaces.
A esta contribución a la Energía Interna se le nombra como‘Energía Química’.
Energía Interna (2/2)
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La ENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (1/3)
La observamos de diferentes formas y vemos su
transformación de una forma a otra
La energía eléctrica que llega a nuestras casas se transforma
en:
energía luminosa y térmica (calor) de los focos
energía sonora de la radio
energía mecánica (trabajo) de los motores
(refrigerador, lavadora, licuadora, grabadora, …)
energía electromagnética del horno de microondas
La energía química de la gasolina se transforma en:
energía cinética del coche en movimiento
La energía química del gas doméstico se transforma en :
energía térmica (calor) para cocinar los alimentos o
calentar el agua para bañarnos
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La ENERGÍA está presente en nuestra vida diaria (2/3)
La energía de la radiación solar se transforma en:
energía química de las plantas (fotosíntesis)
elevación de la temperatura atmosférica (gases de efecto
invernadero)
energía eléctrica (fotocelda solar)
La energía química de los alimentos se transforma en:
energía cinética (movimiento) del cuerpo
energía mecánica (trabajo muscular) para levantarnos,
subir y cargar objetos, …
energía térmica para mantener la temperatura del cuerpo
energía que necesitamos para desarrollar todas nuestras
actividades
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11
Ejemplo 2: Energía nuclear
Al transformarse en energía parcialmente la masa de laspartículas nucleares de un combustible nuclear se libe-rala llamada ‘Energía Nuclear’.
Dicha energía puede ser térmica o electro-magnética.
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Ejemplo: Energía nuclear
Puede tratarse de una energía más o menos controlada o la de una explosión nuclear
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Ejemplo 3: Energía solar•Es radiación electro-
magnética (una forma
del calor)
•Las plantas la aprove-
chan en la fotosíntesis
•La vida existe en la
Tierra gracias a la ener-
gía solar
•Calienta los gases de la
atmósfera
•La celda fotovoltaica la
transforma en ener-gía
eléctrica
•El calentador solar la
aprovecha como ener-
gía térmica y calienta al
agua
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Ejemplo 4: La energía eléctrica
La energía eléctrica se produce:
Por el sol fotovoltaica
Por el viento eólica
Presas (agua) hidroeléctrica
Combustible termoeléctrica
Acuíferos subterráneos
geotérmica
Combustible nuclear nucleoeléctrica
La energía eléctrica:
Se produce cuando se necesita
Si hay mayor demanda, se ponen a
funcionar más plantas eléctricas
Se transmite de las centrales gene-
radoras a los centros de consumo
En nuestro hogar la “consumen” los
aparatos eléctricos y la transfor-man
en otras formas de energía
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Energía eólica (viento)
•El calentamiento de la atmósfera y
la rotación de la tierra provocan
corrientes masivas de aire
•La energía cinética (velocidad) del
aire se transfiere a las aspas como
energía cinética
•La energía cinética de las aspas
hace girar el generador eléctrico
Energía cinética
del aire (viento)
Energía eléctrica
Generador
eléctrico
CONCEPTO DE CALOR
FORMAS DE PROPAGACION
CONDUCCION
CONVECCION
RADIACION
Cuando nos hablan
de calor,
generalmente lo
asociamos a
temperatura.
Pero, ¿qué es la
temperatura?
¿Qué es el calor?
Introducción
La temperatura.
Es una magnitud física descriptiva de un sistema en donde hay transferencia de calor.
También se podría decir que es el grado de calor de los cuerpos.
El calor.
Es la energía que se transfiere de un objeto a otro, debido a una diferencia de temperatura.
Introducción
Supongamos que tenemos dos cuerpos con diferentes temperaturas, de tal forma que el cuerpo A tiene una mayor temperatura que el cuerpo B.
Es decir TA > TB
Y luego ponemos en contacto estos cuerpos.
¿Qué sucede?
Calor
A principios del siglo XIX, la gente estaba interesada en mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y de los cañones.
En ese contexto James Prescott Joule (1818-1899), un físico ingles, estableció la relación precisa entre energía mecánica y calor.
El equivalente mecánico del calor
Joule utilizó una rueda con paletas (las cuales están dentro de un cilindro con agua), conectadas a un conjunto de poleas, con pesos en sus extremos.
De esta manera, al caer los pesos, las paletas giran.
Este giro de las paletas hace que la temperatura del agua se incremente.
El equivalente mecánico del calor
Con este experimento Joule determinó que el equivalente mecánico del calor es:
1 cal = 4.186 J
El equivalente mecánico del calor
Una caloría es la cantidad de energía
necesaria para elevar la temperatura de un
gramo de agua de 14,5 a 15,5 grados Celsius.
Para medir esta energía, se han establecido
dos unidades de medida. La caloría, que
corresponde a una unidad, y la Caloría, que
corresponde a 1000 unidades.
1 Cal = 1000 cal.
Caloría
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Formas de transferencia de
calor.
LA TRANSFERNCIA DE CALOR se minimiza
mediante múltiples capas de revestimiento
beta. Este y otros materiales aisladores
protegen la nave espacial de condiciones
ambientales hostiles. (NASA)
Transferencia de calor por
conducción
Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Conducción Dirección
De caliente
a frío.
Transferencia de calor por
convección
Convección es el proceso por
el que la energía térmica se
transfiere mediante el
movimiento masivo real de un
fluido calentado.
ConvecciónEl fluido calentado se eleva y
luego se sustituye por fluido más
frío, lo que produce corrientes
de convección.
La geometría de las superficies
calentadas (pared, techo, suelo)
afecta significativamente la
convección.
Transferencia de calor
por radiación
Radiación
Sol
Radiación es el proceso por
el que la energía térmica
se transfiere mediante
ondas electromagnéticas.
Atómico
¡No se requiere medio!
Tipos de transferencia de calor
Considere la operación de una cafetera común:
Piense en cómo se transfiere calor por:
¿Conducción?
¿Convección?
¿Radiación?
Resumen: Transferencia de calor
Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.
Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
Calor especifico de un cuerpo
El calor específico o más
formalmente la
capacidad calorífica
específica de una
sustancia es una
magnitud física que
indica la capacidad de un
material para almacenar
energía interna en forma
de calor.
Calor especifico o capacidad calorífica específica.
De manera formal es la energía necesariapara incrementar en una unidad detemperatura una cantidad de sustancia;usando el SI es la cantidad de julios deenergía necesaria para elevar en un 1 K latemperatura de 1 Kg. de masa. Se larepresenta por lo general con la letra c y suunidad de medida es J/KgºC o también
cal/g·ºC.
Calor especifico o capacidad calorífica específica .Calor especifico o capacidad calorífica específica.
Se necesita más
energía calorífica
para incrementar la
temperatura de una
sustancia con un
alto valor del calor
específico que otra
con un valor
pequeño.
Calor especifico o capacidad calorífica específica.Calor especifico o capacidad calorífica específica.
La siguiente tabla muestra el calor
específico de algunas sustancias.
Por ejemplo, serequiere más energíapara incrementar latemperatura de unalambre de cobre quepara uno de plata de lamisma masa. ( El cobreposee un calorespecifico mayor que elde la plata)
Calor especifico o capacidad calorífica.Calor especifico o capacidad calorífica específica .Calor especifico o capacidad calorífica específica.
De acuerdo con la
definición de caloría, el
calor específico del agua
líquida es: 1 cal/g·ºC.
Esto significa que se
necesita una caloría
para elevar en un grado
celsius la temperatura
de un gramo de agua.
Calor especifico o capacidad calorífica específica .Calor especifico o capacidad calorífica específica.
El Calor Específico (𝒄)
La energía 𝑸 necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia es
proporcional a la masa de la sustancia y a la diferencia de temperatura.
La constante de proporcionalidad se llama calor específico 𝒄:
El calor específico (en el sistema SI) es el número de Joules necesario para
aumentar la temperatura de 1 𝑘𝑔 de la sustancia en 1 𝑜𝐶.
Entonces, las unidades son 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾) o 𝐽/(𝑘𝑔 𝑜𝐶)
El calor específico es una propiedad de la sustancia:
Agua 4184 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾) Aluminio900 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)Hielo 2100 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾) Cobre 387 𝐽/(𝑘𝑔 𝐾)
𝑸 = 𝒄𝒎 ∆𝑻
Calor total transferido
Calor sensible , calor latente, perdidas de energía
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Calor Sensible
Calor Sensible [hf] es la cantidad de Energía
requerida para elevar la temperatura del agua
de 0°C a su temperatura actual.
Calor Sensible [hf] eleva la temperatura del
agua y puede medirse con un termómetro.
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Añadiendo Calor Sensible
Presión Atmosférica
419
0
100
200
300
400
500
KJoules
1 Kg. de Agua a 0C + 419 KJ de Calor Sensible
= 1 Kg. de Agua Saturada a 100°C
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Calor Latente
Calor Latente es la cantidad de Energía requerida
para lograr el cambio de estado físico de una
sustancia sin que exista variación de temperatura.
Al añadir Calor Latente no se incrementa la
temperatura – líquido saturado y vapor tienen la
misma temperatura a un presión dada.
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Añadiendo Calor Latente
Presión Atmosférica
1 Kg. de Agua Saturada a 100°C + 2,257 KJ de
CALOR LATENTE = 1Kg. de Vapor Saturado Seco
a 100°C con un CALOR TOTAL de 2,676 KJ.
KJ
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000 2,676
2,257
419
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CALOR LATENTE (L)
Se denomina calor latente (L) a la cantidad de
calor (Q) por unidad de masa (m) que se debe
ceder o extraer a una sustancia en su punto
crítico, para que cambie totalmente de fase.
m
QL
Unidades para calor Latente
S.I.: (Joule/kilogramo),
pero suele expresarse en
(caloría/gramo)
