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CALOR
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Conceptos Generales

• CALOR QUÉ ES EL CALOR?
• La palabra calor es un término muy común en
  nuestro lenguaje cotidiano. A diario escuchamos
  frases comohace mucho calor, está caliente,
  etc. Pero qué es el calor?
• Es una forma de energía, que generalmente se
  asocia con la energía transferida entre distintos
  sistemas en el lenguaje cotidiano, cuando
  ponemos un cuerpo frente a una fuente de calor
  (una cocina, estufa, etc.) decimos que le
  aplicamos calor al cuerpo.

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(No Transcript)
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• Se llama calor a la energía que pasa de un cuerpo
  a otro, modificándose la Energía Interna de
  ambos. Para que haya transferencia de calor son
  precisos dos cuerpos a diferente temperatura o
  que uno ejerza un trabajo de rozamiento sobre el
  otro.
• El calor es la energía que tiene un objeto debida
  al movimiento de sus átomos y moléculas que están
  constantemente vibrando, moviéndose y chocando
  unas con otras. Cuando añadimos energía a un
  objeto, sus átomos y moléculas se mueven más
  deprisa, incrementando su energía de movimiento o
  calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo
  de calor porque sus átomos se están moviendo.
• La materia está compuesta de átomos y moléculas
  (que son grupos de átomos) y la energía hace que
  los átomos y las moléculas estén en constante
  movimiento - rotando alrededor de si mismas,
  vibrando o chocándose unas con otras.
• El movimiento de los átomos y moléculas crea una
  forma de energía llamada calor o energía térmica,
  que está presente en todo tipo de materia.
  Incluso en los vacios más frío de espacio hay
  materia que posee calor, muy pequeño pero
  medible.

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• Pero de dónde proviene esta energía?
• en realidad, el calor es una forma de
  movimiento que lleva energía asociada. Y las
  partículas en movimiento de las que estamos
  hablando son los átomos y moléculas que componen
  todos los objetos que nos rodean, por ejemplo, 
  animales, aire, plantas, estrellas y hasta
  nosotros mismos. 
• Un ejemplo claro es el agua. A bajas
  temperaturas, el movimiento de las moléculas del
  agua, es decir su agitación térmica, es muy bajo,
  apenas vibran y se mantienen inmovilizadas en un
  sólido el hielo.
• Al aumentar la temperatura, la agitación térmica
  comienza a aumentar y las moléculas van
  adquiriendo más energía y comienzan a alejarse un
  poco entre sí aumentando su movimiento, lo que
  obtenemos es un líquido el agua líquida.

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(No Transcript)
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• La energía puede presentarse de muy diferentes
  formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos
  de energía pueden convertirse en calor. La
  energía electromagnética (luz), la electrostática
  (o eléctrica), la mecánica, la química, la
  nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar
  una sustancia haciendo que se incremente la
  velocidad de sus moléculas.
• Si ponemos energía en un sistema éste se
  calienta, si quitamos energía se enfría. Por
  ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a
  saltar para entrar en calor.
• Estos son algunos algunos ejemplos de los
  diferentes tipos de energía que pueden
  convertirse en energía térmica (calor).

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La energía mecánica se convierte en energía
térmica siempre que botamos una pelota. Cada vez
que la pelota rebota en el suelo parte de la
energía de su movimiento (energía cinética) se
convierte en calor, haciendo que la pelota cada
vez rebote menos. A continuación un ejemplo
Imagen térmica infrarroja de una pelota de tenis
antes (izquierda) y después (derecha) de ser
golpeada por la raqueta.
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• QUE ES CALORÍA?
• Es la cantidad necesaria de CALOR para subir la
  temperatura de 1 gramo de agua en 1ºC (de 14,5º a
  15,5ºC, a presión atmosférica). La kilocaloría
  (símbolo Kcal) es igual a 1000 cal. Una caloría
  es equivalente a 4,1868 J.
• Una vez demostrado que el calor es una forma de
  energía se halló su equivalencia con otras
  unidades que surgieron del estudio de la energía
  mecánica.

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• El calor específico de una sustancia o
  sistema termodinámico es una magnitud física que
  se define como la cantidad de calor que hay que
  suministrar a la unidad de masa del sistema
  considerado para elevar su temperatura en una
  unidad (kelvin o grado Celsius) a partir de una
  temperatura dada en general, el valor del calor
  específico depende de dicha temperatura inicial.
  Se la representa con la letra (minúscula).
• En forma análoga, se define la capacidad
  calorífica de una sustancia o sistema
  termodinámico como la cantidad de calor que hay
  que suministrarle para elevar su temperatura en
  una unidad kelvin o grado Celsius) a partir de
  una temperatura dada. Se la representa con la
  letra (mayúscula).
• Obviamente, el calor específico es la capacidad
  calorífica específica, esto es c C / m

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Cómo se propaga el calor?
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Conducción

• Entregamos o quitamos CALOR poniendo en contacto
  dos o más elementos.

Algunos ejemplos?
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Convección
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Radiación
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(No Transcript)
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Que es la Termodinámica?

• La termodinámica es una parte de la física que
  estudia las relaciones existentes entre los
  fenómenos dinámicos y los caloríficos.
• Trata de la transformación de la energía mecánica
  en calor y del calor en trabajo. También describe
  y relaciona las propiedades físicas de sistemas
  macroscópicos de materia y energía.
• La termodinámica estudia los sistemas que se
  encuentran en equilibrio. Esto significa que las
  propiedades del sistema típicamente la presión,
  la temperatura, el volumen y la masa son
  constantes.
• Un concepto esencial de la termodinámica es el de
  sistema macroscópico, que se define como un
  conjunto de materia que se puede aislar
  espacialmente y que coexiste con un entorno
  infinito e imperturbable. El estado de un sistema
  macroscópico en equilibrio puede describirse
  mediante propiedades medibles como la
  temperatura, la presión o el volumen, que se
  conocen como variables termodinámicas. Es posible
  identificar y relacionar entre sí muchas otras
  variables (como la densidad, el calor específico,
  la compresibilidad o el coeficiente de expansión
  térmica), con lo que se obtiene una descripción
  más completade un sistema y de su relación con
  el entorno.
• Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado
  de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un
  proceso termodinámico.

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Calorimetría. Capacidad calorífica y calor
específico

• En un sentido amplio, la calorimetría se
  desarrolló históricamente como una técnica
  destinada a fabricar aparatos y procedimientos
  que permitieran medir la cantidad de calor
  desprendida o absorbida en una reacción mecánica,
  eléctrica, química o de otra índole. Esta
  disciplina, encuadrada dentro de la
  termodinámica, se ha especializado sobre todo,
  con el paso del tiempo, en la determinación del
  calor específico de los cuerpos y los sistemas
  físicos.

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CAPACIDAD CALORÍFICA

• La capacidad calorífica de un cuerpo es razón
  de la cantidad de energía calorífica transferida
  a un cuerpo en un proceso cualquiera por su
  cambio de temperatura correspondiente, es decir,
  es la energía necesaria para aumentar 1 K su
  temperatura, (usando el S.I.). Indica la mayor o
  menor dificultad que presenta dicho cuerpo para
  experimentar cambios de temperatura bajo el
  suministro de calor.

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• Para medirla bajo unas determinadas condiciones
  es necesario comparar el calor absorbido por una
  sustancia (o un sistema) con el incremento de
  temperatura resultante. La capacidad calorífica
  viene dada por

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• Donde
• C es la capacidad calorífica, que en general será
  función de las variables de estado.
• Q es el calor absorbido por el sistema
• es la variación de la temperatura.
• Se mide en unidades del S.I.
• joules/K (o también el cal/C)

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Ejemplo

• Rumford, taladrando tubos de metal para construir
  cañones, se dio cuenta de que cuanto más roma
  estaba la broca más calor se desprendía.

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• La capacidad calorífica es un valor
  característico de los cuerpos, y está relacionado
  con otra magnitud fundamental de la calorimetría,
  el calor específico.

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• Si el calor estuviera retenido en l cuerpo
  impregnándolo saldría más cuanto más se
  desmenuzara la materia en virutas pero no era
  así, era justo al revés. (Benjamín Thomson
  Conde Rumford).
• El calor se generaba al rozar la broca con el
  metal! La energía cinética de la broca se
  transformaba en calor!

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Calor Especifico

• El valor de la capacidad calorífica por unidad de
  masa se conoce como calor específico. En términos
  matemáticos, esta relación se expresa como
• donde c es el calor específico del cuerpo, m su
  masa, C la capacidad calorífica, Q el calor
  aportado y DT el incremento de temperatura. El
  calor específico es característico para cada
  sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide
  en julios por kilogramo y kelvin (J/(kgK)). A
  título de ejemplo, el calor específico del agua
  es igual a
• Del estudio del calor específico del agua se
  obtuvo, históricamente, el valor del equivalente
  mecánico del calor, ya que

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Calorimetrìa

• La determinación del calor específico de los
  cuerpos constituye uno de los fines primordiales
  de la calorimetría.
• El procedimiento más habitual para medir calores
  específicos consiste en sumergir una cantidad del
  cuerpo sometido a medición en un baño de agua de
  temperatura conocida. Suponiendo que el sistema
  está aislado, cuando se alcance el equilibrio
  térmico se cumplirá que el calor cedido por el
  cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a
  la inversa.

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(No Transcript)
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• Como la energía calorífica cedida ha de ser igual
  a la absorbida, se cumple que
• siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor
  específico, T la temperatura inicial del cuerpo,
  ma la masa de agua, ca el calor específico del
  agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
  temperatura final de equilibrio. Todos los
  valores de la anterior expresión son conocidos,
  excepto el calor específico del cuerpo, que puede
  por tanto deducirse y calcularse de la misma.

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Calor específico de los gases

• En el caso de los gases, ha de distinguirse entre
  calor específico a volumen constante (cv) y a
  presión constante (cp). Por el primer principio
  de la termodinámica, y dado que el calentamiento
  de un gas a volumen constante no produce trabajo,
  se tiene que

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• En el caso particular de gases diluidos, la
  vinculación entre el calor específico a presión y
  a volumen constante sigue la llamada relación de
  J. R. Mayer (1814-1878)
• siendo Nm el número de moles por unidad de masa y
  R la constante universal de los gases perfectos.

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Tabla de calores específicos
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Poder calorífico

• Se llama poder calorífico al calor que se libera
  en el proceso de combustión de un cuerpo, llamado
  combustible. El poder calorífico se mide como la
  cantidad de calorías o kilocalorías que se
  desprenden en la combustión de 1 kg de masa del
  material combustible.

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Tabla de poderes caloríficos
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• Como la energía calorífica cedida ha de ser igual
  a la absorbida, se cumple que
• siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor
  específico, T la temperatura inicial del cuerpo,
  ma la masa de agua, ca el calor específico del
  agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
  temperatura final de equilibrio. Todos los
  valores de la anterior expresión son conocidos,
  excepto el calor específico del cuerpo, que puede
  por tanto deducirse y calcularse de la misma

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• El calor es por lo tanto una forma de energía.
  Es la energía calorífica. Un inglés llamado
  J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades
  de trabajo. La energía puede presentarse puede
  presentarse de muy diferentes formas y puede
  cambiar de una forma a otra.

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APLICACIÓN EN PREVENCIÓN

• En esta oportunidad ejemplificaremos la
  utilidad de la capacidad calorífica en
  trabajadores que laboran en frigoríficos, ya que
  al estar expuestos a temperaturas bajo 0 C deben
  usar trajes térmicos especialmente diseñados con
  la finalidad de guardar y mantener el calor, ya
  que de no tener estos implementos ciertamente
  estos trabajadores se verían expuestos a
  hipotermia.

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• Tema Capacidad Calorífica

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La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de
la cantidad de energía calorífica transferida a
un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio
de temperatura correspondiente. En una forma
menos formal es la energía necesaria para
aumentar 1 K su temperatura, (usando el SI).
Indica la mayor o menor dificultad que presenta
dicho cuerpo para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor.

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Puede interpretarse como una medida de inercia
térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su
magnitud depende de la cantidad de material en el
objeto por ejemplo La capacidad calorífica del
agua de una piscina olímpica será mayor que la de
una cucharadita. Al ser una propiedad
extensiva, la capacidad calorífica es
característica de un objeto en particular, y
además depende de la temperatura y posiblemente
de la presión.
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La capacidad calorífica no debe ser confundida
con la capacidad calorífica específica o calor
específico el cual es la propiedad intensiva que
se refiere a la capacidad de un cuerpo para
almacenar calor, y es la razón de la capacidad
calorífica entre la masa del objeto. El calor
específico es una propiedad característica de las
sustancias y depende de las mismas variables que
la capacidad calorífica.
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Medida de la Capacidad Calorífica
Para medir la capacidad calorífica bajo unas
determinadas condiciones es necesario comparar el
calor absorbido por una sustancia (o un sistema)
con el incremento de temperatura resultante. La
capacidad calorífica viene dada por Donde C
es la capacidad calorífica, que en general será
función de las variables de estado. Q es el
calor absorbido por el sistema. ?T la variación
de temperatura. Se mide en unidades del SI
joules/K (o también el cal/ºC).
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La capacidad calorífica (C) de un sistema físico
depende de la cantidad de sustancia o masa de
dicho sistema. Para un sistema formado por una
sola sustancia homogénea se define además el
calor específico o capacidad calorífica
específica c a partir de la relación Donde c
es el calor específico o capacidad calorífica
específica. m la masa de sustancia considerada.
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Planteamiento formal de capacidad calorífica
Sea S un sistema termodinámico en el estado B.
Se define la capacidad calorífica Cc asociada a
un proceso cuasi estático elemental c que parte
de B y finaliza en el estado B' como el límite
del cociente entre el calor Q absorbido por S y
el incremento de temperatura ?T cuando el estado
B' tiente al inicial B. La capacidad calorífica
es, de este modo, una variable termodinámica y
está perfectamente definida en cada estado de
equilibrio de S.
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• Cambio de estado de un sistema debido a Calor y
  Trabajo
• Los cambios de estado en un sistema son
  producidos por interacciones con el entorno o
  medio a través del calor y del trabajo, que son
  dos distintos modos de la transferencia de
  energía.

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• Calor
• El calor es una forma de transferencia de
  energía debido a la diferencia de temperatura. El
  calor, al igual que el trabajo, se considera en
  termodinámica como energía en tránsito para
  separa a un sistema de su entorno.
• 1. La transferencia de calor puede alterar el
  estado del sistema
• 2. Los cuerpos no contienen'' calor el calor
  es energía en transito y se identifica mientras
  ésta pasa a través de los límites del sistema
• 3. La cantidad de calor necesaria para ir de un
  estado a otro es dependiente de la trayectoria
• 4. Los procesos adibáticos son aquellos en los
  que no se transfiere calor.

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Leyes de la Termodinámica

• Las leyes o principios de la termodinámica,
  descubiertos en el siglo XIX a través de
  meticulosos experimentos, que determinanla
  naturaleza y los límites de todos los procesos
  termodinámicos.
• Los principios de la termodinámica tienen una
  importancia fundamental para todas las ramas de
  la ciencia y la ingeniería, y son

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Ley cero de la Termodinámica

• Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo,
  comparten una determinada propiedad. Esta
  propiedad puede medirse, y se le puede asignar un
  valor numérico definido. Una consecuencia de ese
  hecho es el principio cero de la termodinámica,
  que afirma que si dos sistemas distintos están en
  equilibrio termodinámico con un tercero, también
  tienen que estar en equilibrio entre sí.
• Esta propiedad compartida en el equilibrio es la
  temperatura.Si uno de estos sistemas se pone en
  contacto con un entorno infinito situado a una
  determinada temperatura, el sistema acabará
  alcanzando el equilibrio termodinámico con su
  entorno, es decir, llegará a tener la misma
  temperatura que éste.

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Primera Ley de la Termodinámica

• También conocida como principio de la
  conservación de la energía, establece que si se
  realiza trabajo sobre un sistema, la energía
  interna del sistema variará. La diferencia entre
  la energía interna del sistema y la cantidad de
  energía es denominada calor. Fue propuesto por
  Antoine Lavoisier.
• En otras palabras La energía no se crea ni se
  destruye sólo se transforma.
• La ecuación general de la conservación de la
  energía es la siguiente
• E entra -
  Esale ?E sistema

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Segunda Ley de la Termodinámica

• La cantidad de entropía de cualquier sistema
  aislado térmicamente tiende a incrementarse con
  el tiempo. Más sencillamente, cuando una parte de
  un sistema cerrado interacciona con otra parte,
  la energía tiende a dividirse por igual, hasta
  que el sistema alcanza un equilibrio térmico.
• El segundo principio impone una condición
  adicional a los procesos termodinámicos. No basta
  con que se conserve la energía y cumplan así el
  primer principio. Una máquina que realizara
  trabajo violando el segundo principio se
  denomina, móvil perpetuo de segunda especie, ya
  que podría obtener energía continuamente de un
  entorno frío para realizar trabajo en un entorno
  calientesin costo alguno. A veces, el segundo
  principio se formula como una afirmación que
  descarta la existencia de un móvil perpetuo de
  segunda especie.

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Tercera Ley de la Termodinámica

• El tercer principio de la termodinámica afirma
  que el cero absoluto no puede alcanzarse por
  ningún procedimientoque consta de un número
  finito de pasos. Es posible acercarse
  indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se
  puede llegar a él.
• Es importante recordar que los principios o leyes
  de la Termodinámica son sólo generalizaciones
  estadísticas, válidas siempre para los sistemas
  macroscópicos, pero inaplicables a nivel
  cuántico. Maxwell ejemplifica cómo puede
  concebirse un sistema cuántico que rompa las
  leyes de la Termodinámica.
• Asimismo, cabe destacar que el primer principio,
  el de conservación de la energía, es la más
  sólida y universal de las leyes de la naturaleza
  descubiertas hasta ahora por la ciencia.

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Aplicaciones de la Termodinámica

• En la construcción de edificaciones, en especial
  de las estructuras metálicas se tiene que tomar
  en cuenta sus propiedades al dilatarse o
  contraerse con los cambios de temperatura del
  ambiente.
• En el estudio de los cambios de fase de las
  diferentes sustancias.
• En la construcción de máquinas térmicas, por
  ejemplo motores que funcionan con combustible,
  refrigeradoras

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Aplicación como medio de transporte para mejoras
del medio ambiente a través de globo de aire.
Todos sabemos que el aire caliente es más
ligero que el aire frío y que este último es más
pesado. Para hacernos una idea, decimos que un
metro cúbico de aire pesa unos 28 gramos, si lo
calentamos con un quemador a 100 grados
Fahrenheit este aire pesará 7 gramos menos. Por
esa razón cada pie cúbico de aire puede llevar 7
gramos. Esta cantidad no es mucho y por esa razón
los globos tienen proporciones tan grandes ya que
deben generar el volumen en pies necesarios para
levantar el peso de la tripulación y pasajeros.
Para levantar 1.000 libras necesitaremos 65.000
pies cúbicos de aire caliente. El globo se
llena en primer lugar con aire frío y a
continuación ese mismo aire se aumenta de
temperatura con la ayuda de un quemador.
Un  globo de aire caliente utiliza la propiedad
de que el  aire caliente a la presión atmosférica
es menos denso que el  aire  más frío a la misma
presión. La fuerza de empuje es la diferencia
entre el  peso del aire caliente y el de un
volumen igual al del aire  más frío que lo rodea.
Si el volumen del globo es 500 m3 y el aire
 que lo rodea esta a 0 ºC, cuál ha de ser la
temperatura del aire en  el globo para elevar una
masa total de 200 Kg?. Maire 28,8 g/mol.
(Rta 396,25 ºK)