EL CALOR Y LA TEMPERATURA

Transcripción

1 EL CALOR Y LA TEMPERATURA Prof.- Juan Sanmartín 4º Curso de E.S.O. 1

2 INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el calor y el trabajo. Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico. Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora. El calor yeltrabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el calor y el trabajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj 1000 j). En el caso del calor también se utiliza calorías (1 caloría 4,18 J)

3 EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas. Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el equilibrio térmico. T1 T T T donded T 1 > T T T El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc 3 La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución (contracción).

4 CALOR, TEMPERATURA Y EUILIBRIO TÉRMICO Calor y temperatura son conceptos diferente. El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que está a mayor temperatura, a otro que está a menor. La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica cuerpo o un sistema. que tiene un Las moléculas l que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. i La temperaturat nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas. La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC) (C)es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC C, es la temperatura de ebullición del agua. 4

5 DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía en transito y se mide en julios. La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se mide enkelvin, o en grados centígrados. El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas. Escalas termométricas: Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y ebullición. Del aguaa a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 3º F y 1º F. La escala se divide en 180 partes iguales. Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde aproximadamente con 73 ºC. La unidad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K)

6 ESCALAS TERMOMÉTRICAS 6

7 emperaturas as (Unidades) dades 100 uni ºF K 373 K 100ºC 1ºF temperatura. En el gráfico vemos las tres escalas de dades 180 uni dades 100 uni 0ºC 3ºF 73 K -73ºC -459,4F 4ºF 0 K 73ºC de esta. La ESCALA CENTÍGRADA toma como referencia las temperaturas de fusión y evaporación del agua en Condiciones normales y les asigna 0ºC a la de fusión y 100ºC a la de evaporación. Entre ellas existirán 100 unidades. La ESCALA FARENHEIT asigna a los anteriores valores 3ºF y 1ºF respectivamente y por lo tanto tendremos 180 unidades entre ambas temperaturas. La ESCALA ABSOLUTA O KELVIN esta basada en los problemas de valores negativos en las ecuaciones de gases y por lo tanto se busco el 0 absoluto manteniendo la escala de la CENTIGRADA que coincide con los - 73ºC de esta

8 Transformaciones º C K De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G. K Ejemplo º C + 73 Centígrados 73 unidades. OJO! GRADOS CENTÍGRADOS, GRADOS FARENHEIT Y KELVIN, NO GRADOS KELVIN. 3º C K K 3º C K 134º C K K 134º C K 410K ºC ºC 410K 73 00K ºC ºC 00K ºC 73ºC

9 Transformaciones º C ºFF q p g Ejemplo ºC 180 ºF ºC ºF La transformación se complica al tener diferente escala. Tenemos que aplicar las siguientes formulas: º C ºC ºF ºF ºC ºF ºC 180 ºF ºF ºC ( 34) ( ºF 3 ) 100 ( 54 3 ) ( º F 3) ,ºF ºC 1,ºCºC

10 Transformaciones En este caso tenemos que pasar por Grados ºFF K Centígrados para la tranformación. ( ) Ejemplo ºC 180 ºF º F 3 K º C + 73 º C k ºF º C 300k 73 1º F K 100 ºC K º C ºC 180 7º C ºF 100 ( ºF 3) 100( 1 3) ,4 4ºC K ,6 ºF 4,4 4º C + 73 ºC º C 98k 73 5º C ºF ºF ,6 K

11 CALOR ESPECÍFICO No todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, las mismas cantidades de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del tipo de partícula que la compone y de cómo se encuentran unidas. Así, para elevar 1 kelvin la temperatura de un kilogramo de hierro se necesitan 458 Julios, mientras que 1 kilogramo de alcohol requiere de 450 Julios (estas cantidades se desprenden cuando la temperatura disminuyei 1 kelvin). En base a esta propiedad dcaracterística ti decada sustancia, definimos i el calor específico C e. Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía () que hay que proporcionar a 1kg. de esta para elevar su temperatura 1kelvin. Esto se expresa de la siguiente manera C especifico C e Siendo la variación ió de temperatura, t la temperaturat final (o de equilibrio) i de la sustancia menos la inicial T m sustancia T final T inicial T 11

12 CALORES ESPECÍFICOS Sustancia Calor específico Agua (líquida) 4180 Hielo (Agua sólida) 090 Vapor de agua 090 Alcohol 450 Aluminio i 899 Hierro 45 Cobre 385 Mercurio 138 Plata 34 Plomo 130 Oro 130 TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS DE DIFERENTES SUSTANCIAS. Las unidades son: Julios Kilogramo Kelvin J Kg K 1

13 CALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICA Por lo tanto, la energía () necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo calor específico es C e, del una temperatura inicial (T inicial ot 0) hasta una temperatura final o de equilibrio (T f ), viene dada por la siguiente expresión. m sustancia C e sustancia ( T T ) final inicial De lo que podemos deducir que: Si T f > T 0 entonces > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor temperatura y esta se eleva. Si T f <T 0 entonces < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta sereduce. 13

14 Si T f <T 0 entonces <0,el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta se reduce. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en la nevera que disminuyen su temperatura al recibir el calor de este. Si T f >T 0 entonces >0,el calor es absorbido por la sustancia que está a menor temperatura y esta se eleva. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en un horno que aumentan su temperatura al recibir el calor de este. 14

15 PROBLEMAS DE CALOR Intercambio de calor En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y,por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema 15

16 Problema 01.- Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 50 litros de agua cuyas temperaturas son 80 y 0 0 C VH O caliente) 10l. mh O T C 0 e ( 80º C. 353 K 4180 J Kg K 10kg. VH O fria) 50l. mh O T C 0 e ( 0º C. 93 K 4180 J Kg K 50kg. Buscamos la temperatura final o de equilibrio H O caliente) + H O( fria) ( 0 La energía () que cede el agua caliente, la absorbe el agua fría y por lo tanto la suma de ambas es cero. Tengamos en cuenta que consideramos un sistema adiabático donde no hay perdidas de calor al exterior. m H O( caliente) C e HO ( T T ) + m C ( T T ) 0 final inicial H O( fria) e HO final inicial 16

17 Sustituimos los datos ( T 353) + 50kg 4180 J ( T 93) 0 10 kg 4180 J Kg K f Kg K f Operamos 4180 T f T f f 0 Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado 4180 Tf Tf T f 94,K 1, º C

18 Problema 0.- En un calorímetro que contiene 400 g de agua se introduce un trozo de metal de 50g a80 0 C. La temperatura inicial del agua es de 10 ºC y la de equilibrio de la mezcla, 1 ºC. Calcular el calor es-pecifico del metal. Se supone que el calorímetro no absorbe calor. m T 0 metal Ce metal 0 g 0,00 kg. 80º C.? 353K T m C 400g. 0,4kg. H O T 10º C. 0 e H O) ( ilib i T f 1 º C. 85 K equilibrio 85 Buscamos el calor específico del metal 83K 4180 J Kg K metal + O H 0 m metal C e metal ( T T ) + m C ( T T ) 0 final inicial H O e HO final inicial 18

19 Sustituimos los datos ( ) + 0, ( 85 83) 0 0,05 C emetal Operamos , C emetal 0 Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado 167, 68 Ce metal Ce metal 167,, J Kg K 19

20 Problema 03.- Una bañera contiene 50 litros de agua a 5 ºC. Cuánto tiempo será preciso abrir el grifo de agua caliente para que la temperatura final del agua sea 40 ºC?. Temperatura del agua caliente: 80 ºC.; Caudal del grifo: 5 l/min. m H O?. T 80º C. 0 C e 353K 4180 J Kg K V 50l. m 50kg. H O fria ) H O ( T 5º C. 0 C e T T 40º C. 313 K equilibrio f 313 Buscamos la temperatura final o de equilibrio 98K 4180 J Kg K H O caliente) + H O( fria) ( 0 m H O( caliente) C e HO ( T T ) + m C ( T T ) 0 final inicial H O( fria) e HO final inicial 0

21 Sustituimos los datos m H O ( caliente ) 4180 J Kg K ( ) + 50kg 4180 J ( ) 0 Kg K Operamos m H O Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado m H O ,75Kg 18,75l. 1 V( volumen) q ( caudal ) q 5 l t ( tiempo ) min V V 18,75l. q t 3,75min 3min.45s. t q 5 l min.

22 CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.

23 CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA Mientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes cantidades de energía a la sustancia sin que varíe la temperatura. Esto lo explica la Teoría Cinético Molecular T.C.M., la temperatura aumenta porque aumenta la energía cinética media de las partículas que forman una sustancia.. En el caso de un sólido la temperatura aumentará con el aumento de esta energía cinética, pero al llegar al punto de fusión, los enlaces entre las partículas han de romperse, las partículas necesitan suficiente energía para vencer las fuerzas atractivas que mantenían unido a la sustancia en su estado sólido, sin que suponga un aumento de la agitación térmica y por lo tanto la Temperatura permanece constante. En el caso del punto de ebullición, las partículas que en estado líquido aún conservan enlaces que las mantienen unidas, deben romper estos enlaces para conseguir el estado gaseoso sin que aumente la energía cinética media y por lo tanto su temperatura. Definimos calor latente de fusión L f a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado sólido a estado líquido o viceversa (en este caso este calor será negativo).permaneciendo la temperatura constante. Definimos calor latente de vaporización L f a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado líquido a estado gaseoso o viceversa (en este caso este calor será negativo).permaneciendo la temperatura constante. 3

24 CALORES LATENTES (kj/kg.) Sustancia L f L v Estos calores latentes están expresados en kilojulios por kilogramo. Agua 334,44 57 La energía térmica o calor () en este Etanol caso no depende de la temperatura, y por lo tanto viene dada por la siguiente Mercurio 11,3 96 expresión: Plomo 4,7 858 Zinc m En el caso de que el cambio de estado sea de sólido a liquido (fusión) o viceversa (solidificación) obtendremos la siguientes expresiones fusión solificación m L f m L En el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversa (condensación) obtendremos la siguientes expresiones f L f/v 4 vaporizaci ón condensaci ón m L v m L v

25 PROBLEMAS DE CALOR Cambios de estado En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y,por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema 5

26 Problema 04.- Si tengo 4l. de agua que acaban de hervir. ué cantidad de calor le tengo que extraer para convertirla en hielo a 18ºC? H O Debemos considerar todas las etapas que suceden en el proceso, ya que cada una tiene una energía térmica diferente. vapor ( 100º C) 1 H O líquido (100º C) H O líquido (0º C) H O sólido (0º C) H O sólido ( 18º C) La temperatura siempre en Kelvin, entonces H O vapor ( 373K ) 3 1 H O (373K) H O (73K) líquido líquido sólido 4 3 H O (73K) H O sólido (55K) Una vez que tenemos definidas las etapas, procedemos a calcular el calor () en cada una de ellas, las suma de todas nos dará la energía del proceso. 6

27 Calculamos los calores de cada etapa utilizando los calores específicos y latentes de las tablas. En el caso de los calores latentes hemos de cambiarlos signos. J 1 ( condensaci ón ) m H L J O v kg m H O C e ( solidifica ción ) J kg K ( agua ) ( Tf T0 ) 4kg 4180 ( ) K J m líquida 3 HO L f 4kg J J kg m J H O Ce kg K ( hielo ) ( T f T 0 ) 4 kg 090 ( ) K J 4 Sumamos los calores para obtener la energía final TOTAL TOTAL J J J J J EL SIGNO NEGATIVO SIGNIFICA UE TENEMOS UE EXTRAER CALOR 7

28 PROPAGACION DEL CALOR El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación. La conducción del calor se produce preferentemente e e e e e cuando la energía e se transmite a través de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmiten esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo. Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantes del calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin embargo la madera, el plástico o el aire no son buenos conductores, son aislantes. 8

29 PROPAGACION DEL CALOR La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas mas fí frías. Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el líquido de un recipiente, etc La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que irradian las estrellas. 9