Ing. Gerardo Sarmiento CALOR Y TEMPERATURA

Ing. Gerardo Sarmiento CALOR Y TEMPERATURA

Como se mide y transporta el calor

La cantidad de calor (Q) se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en Joule. Otra unidad es la caloría y la kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías que se emplea en nutrición. La energía mecánica se puede convertir en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 [Joule]. Otra unidad de medida ampliamente usada en la industria, es el BTU (British Termal Units), equivalente a 251.996 [cal] Para Transportar el calor, es decir transferencia de energía, existen tres formas básicas, las que son mostradas en la siguiente figura. - La conducción utiliza un medio sólido para transferir calor. - La convección utiliza un medio Líquido o gaseoso para el intercambio de moléculas frías por otras calientes, generando un movimiento de partículas en estos medios. - La radiación utiliza las ondas electromagnéticas (infrarrojo), para transmitir calor y no necesitan un medio físico para propagarse. Estas ondas, están compuestas por fotones (Paquetes de energía) que hacen que existan cambios de temperaturas, debido a la capacidad de Absorber y emitir energía de los cuerpos. 3

Efectos de la temperatura en los materiales Uno de los efectos que provoca la variación de temperatura en los materiales, es la dilatación, esta dependerá exclusivamente del material que se desea analizar, esta dilatación se dice que es proporcional a la variación de temperatura y su fórmula es: ΔL= α L0 ΔT Tabla 1.2.1 Este cálculo es de mucha importancia en la construcción de puentes y edificios debido a que los materiales podrán contraerse con el frío y expandirse con el calor, en otras palabras su longitud cambiara y para ello se debe disponer de las holguras necesarias. Por ejemplo una viga de bronce de 10 metros al tener una variación de temperatura de 50ºC, podría expandirse hasta 7,1 [cm]. Donde: L0 = longitud inicial ΔT = variación de la temperatura (ºC) α = Coeficiente de dilatación [1/ ºC] Algunos valores característicos del coeficiente de dilatación en distintos materiales, se pueden ver en la tabla Tabla 1.2.1. 4

Calor especifico El calor especifico (c) de un material se refiere a la cantidad de calor que debe fluir de o hacia una unidad de masa, para cambiar en un grado su temperatura. Por ejemplo, el aluminio tiene un peso específico de 0.21 [cal /g ºC]. Que significa que para que la masa de 1 gramo de aluminio aumente su temperatura en 1ºC, se necesita un flujo de calor de 0.21 [cal]. La fórmula para calcular el calor, utilizando el calor específico de una sustancia es: Q = c m ΔT Dónde: Q = calor c = calor especifico m = masa ΔT = variación de temperatura 5

Calor sensible de un cuerpo: es la can(dad de calor recibido o cedido por un cuerpo al sufrir una variación de temperatura (Δt) sin que haya cambio de estado ;sico (sólido, líquido o gaseoso). Su expresión matemá(ca es la ecuación fundamental de la calorimetría. donde: Δt = t f - t o Q s = m.c.δt Calor latente de un cuerpo: es aquel que causa en el cuerpo un cambio de estado ;sico (sólido, líquido o gaseoso) sin que se produzca variación de temperatura (Δt),es decir permanece constante. Q L = m.l Principios de la Calorimetría 1 er Principio: Cuando 2 o más cuerpos con temperaturas diferentes son puestos en contacto, ellos intercambian calor entre sí hasta alcanzar el equilibrio térmico. Luego, considerando un sistema térmicamente aislado, "La can(dad de calor recibida por unos es igual a la can(dad de calor cedida por los otros". 2 do Principio: "La can(dad de calor recibida por un sistema durante una transformación es igual a la can(dad de calor cedida por él en la transformación inversa". Tabla del calor específico de algunas sustancias C agua = 1 cal/g. C C hielo = 0,5 cal/g. C C aire = 0,24 cal/g. C C aluminio = 0,217 cal/g. C C plomo = 0,03 cal/g. C C hierro = 0,114 cal/g. C C latón = 0,094 cal/g. C C mercurio = 0,033 cal/g. C C cobre = 0,092 cal/g. C C plata = 0,056 cal/g. C LABORATORIO DE CALORIMETRIA 6

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR 1) AUMENTO DE TEMPERATURA. La temperatura de un cuerpo generalmente aumenta cuando se le suministra energía térmica o calor. La can(dad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una sustancia es proporcional a la variación de temperatura y a la masa de la sustancia: Q = c.m. T donde c = calor específico de la sustancia m = masa de la sustancia T = incremento de temperatura 2) CAMBIO DE FASE. Una excepción a lo anterior (ene lugar durante los cambios de fase: sólido <===> líquido <===> gas En un cambio de fase la temperatura permanece constante. El calor necesario para fundir una sustancia (sólido ===> líquido) es proporcional a la masa de la sustancia Q(f) = m.l(f) en donde L(f) se denomina calor latente de fusión (= calor necesario para fundir 1 kg de sustancia). De forma análoga, para un cambio de fase líquido ===> gas (vaporización), el calor requerido es Q(v) = m.l(v) en donde L(v) se denomina calor latente de vaporización (= calor necesario para vaporizar 1 kg de sustancia). 7

CUESTIONARIO Y PROBLEMAS CUESTIONARIO 1.- ) Qué es un cambio de fase? 2.- ) Inves(gue los puntos de fundición y evaporación del agua. 3.- ) Inves(gue las razones por las cuales los puntos de ebullición y fundición pueden variar. 4.- ) A qué se le denomina equilibrio de fase? 5.- ) Qué es calor latente? 6.) Inves(gue el valor del calor latente del agua. 7.- ) Elabore el diseño experimental de la prác(ca ( material, dibujo o esquema, procedimiento) PROBLEMA Cuánto calor se libera en total cuando 0.5 lb de vapor a 212ºF se convierte en hielo a 10ºF? Q=mcΔt Δt= cambio de temperatura Q=mLf Primero conver+mos todo a unidades del SI: 212ºF = 100ºC 10ºF = - 12,22ºC m = 0,5 lb = 0,5 * 453,59 g = 226,80 g En tu ejercicio se dan tres liberaciones de calor. 1.- Cambio de estado de vapor a líquido (Calor latente de ebullición 0,5424 cal/g): Q1 = m Lv = 226,80 g 0,5424 cal/g = 123,02 cal 2.- Enfriamiento del agua desde 100ºC hasta 0º C (calor específico 1 cal/(g ºC)): Q2 = m ce T = 226,80 g 1 cal/(g ºC) 100ºC = 22.680 cal 8

CUESTIONARIO Y PROBLEMAS 3.- Cambio de estado de líquido a sólido (Calor latente de fusión 0,0802 cal/g): Q3 = m Lf = 226,80 g 0,0802 cal/g = 18,19 cal Finalmente, la can+dad de calor liberado será: Q = Q1 + Q2 + Q3 = 123,02 cal + 22.680 cal + 18,19 cal Q = 22821,21 cal 1- El calor de combus(ón de la leña es 4x10³ cal /g. Cuál es la can(dad de leña que debemos quemar para obtener 12*10 7 cal?. 2- El calor de combus(ón de la nama es 11*10³ cal /g. Cuál es la masa de nama que debemos quemar para obtener 40*10 7 cal?. 3- Para calentar 800 g de una sustancia de 0 C a 60 C fueron necesarias 4.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 4- Para calentar 2.000 g de una sustancia desde 10 C hasta 80 C fueron necesarias 12.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 5- Cuál es la can(dad de calor necesaria para elevar la temperatura de 200 g de cobre de 10 C a 80 C?. Considere el calor específico del cobre igual a 0,093 cal /g C. 6- Considere un bloque de cobre de masa igual a 500 g a la temperatura de 20 C. Siendo: c cobre = 0,093 cal /g C. Determine: a) la can(dad de calor que se debe ceder al bloque para que su temperatura aumente de 20 C a 60 C y b) cuál será su temperatura cuando sean cedidas al bloque 10.000 cal? 7- Un bloque de 300 g de hierro se encuentra a 100 C. Cuál será su temperatura cuando se re(ren de él 2.000 cal? Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g C. 8- Sean 400 g de hierro a la temperatura de 8 C. Determine su temperatura después de haber cedido 1.000 cal. Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g C. 9- Para calentar 600 g de una sustancia de 10 C a 50 C fueron necesarias 2.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 10- Cuál es la can(dad de calor necesaria para elevar la temperatura de 300 g de cobre de 20 C a 60 C?. Siendo: c cobre = 0,093 cal /g C. 9

CUESTIONARIO Y PROBLEMAS 11- Sea 200 g de hierro a la temperatura de 12 C. Determine su temperatura después de haber cedido 500 cal. Siendo: c hierro = 0,11 cal /g C. 12- Transforme 20 J en calorías. 13- Transforme 40 cal en Joules. 14- Suministrando una energía de 10 J a un bloque de una aleación de aluminio de 5 g; su temperatura varía de 20 C a 22 C. Determine el calor específico de este material. 15- Un recipiente térmicamente aislado con(ene 200 g de agua, inicialmente a 5 C. Por medio de un agitador, son suministrados 1,26*10 4 J a esa masa de agua. El calor específico del agua es 1 cal /g C; el equivalente mecánico de la caloría es de 4,2 J/cal. Considere despreciable la capacidad térmica 16- Se colocan 200 g de hierro a 120 C en un recipiente conteniendo 500 g de agua a 20 C. Siendo el calor específico del hierro igual a 0,114 cal /g C y considerando despreciable el calor absorbido por el recipiente. Determine la temperatura de equilibrio térmico. 17- Se colocan 400 g de cobre a 80 C en un recipiente conteniendo 600 g de agua a 22 C. Determine la temperatura de equilibrio térmico sabiendo que el calor específico del cobre es de 0,092 cal /g C. 18- Un calorímetro de cobre de 80 g con(ene 62 g de un líquido a 20 C. En el calorímetro es colocado un bloque de aluminio de masa 180 g a 40 C. Sabiendo que la temperatura de equilibrio térmico es de 28 C,determine el calor específico del líquido. Considere: c Cu = 0,092 cal /g C y c Al = 0,217 cal /g C. 19- Un calorímetro de cobre de 60 g con(ene 25 g de agua a 20 C. En el calorímetro es colocado un pedazo de aluminio de masa 120 g a 60 C. Siendo los calores específicos del cobre y del aluminio,respec(vamente iguales a 0,092 cal /g C y 0,217 cal /g C; determine la temperatura de equilibrio térmico. 20- Un calorímetro de equivalente en agua igual a 9 g con(ene 80 g de agua a 20 C. Un cuerpo de masa 50 g a 100 C es colocado en el interior del calorímetro. La temperatura de equilibrio térmico es de 30 C. Determine el calor específico del cuerpo. 21- Se derrama en el interior de un calorímetro 150 g de agua a 35 C. Sabiendo que el calorímetro contenía inicialmente 80 g de agua a 20 C y que la temperatura de equilibrio térmico es de 26 C. Determine el equivalente en agua del calorímetro. 22- Un calorímetro de hierro de masa igual a 300 g con(ene 350 g de agua a 20 C, en la cual se sumerge un bloque de plomo de masa 500 g y calentado a 98 C. La temperatura de equilibrio térmico es de 23 C. Siendo el calor específico del hierro igual a 0,116 cal /g C. Determine el calor específico del plomo. 10

CUESTIONARIO Y PROBLEMAS 23- Un calorímetro de cobre con masa igual a 50 g con(ene 250 g de agua a 100 C. Un cuerpo de aluminio a la temperatura de 10 C se coloca en el interior del calorímetro. El calor específico del cobre es c Cu = 0,094 cal /g C y el de aluminio es c Al = 0,22 cal /g C. Sabiendo que la temperatura de equilibrio es 50 C. Cuál es la masa del cuerpo de aluminio (aproximadamente)?. 24- Sea un calorímetro de agua de capacidad térmica 50 cal /g C. Tomamos un pedazo de hierro con masa de 70 g; lo calentamos en un reservorio lleno de vapor de agua en ebullición, lo introducimos seguidamente en el calorímetro que con(ene 412 g de agua a la temperatura de 12,4 C. Sabiendo que la temperatura final del sistema fue de 13,9 C. Determine el calor específico del hierro. 25- Un bloque de pla(no de masa 60 g es re(rado de un horno e inmediatamente colocado en un calorímetro de cobre de masa igual a 100 g y que con(ene 340 g de agua. Calcular la temperatura del horno, sabiendo que la temperatura inicial del agua era de 10 C y que subió a 13 C, cuando se alcanzó el equilibrio térmico?. El calor específico del pla(no es de 0,035 cal /g C y el calor específico del cobre es de 0,1 cal /g C. 26- Un joyero vendió un anillo que dijo contener 9 g de oro y 1 g de cobre. Se calienta el anillo a 500 C (temperatura inferior a la temperatura de fusión del oro y del cobre). Se introduce el anillo caliente en un calorímetro con agua, cuya capacidad calorífica es 100 cal /g C y cuya temperatura inicial es 20 C; se constata que la temperatura en el equilibrio térmico es de 22 C. Los calores específicos del oro y del cobre son 0,09 y 0,031 cal /g C, respec(vamente. Determine las masas del oro y del cobre en el anillo. 11

F I S I C A I I INDICACIONES PARA LOS TRABAJOS Entregar a tiempo los problemas y trabajos de investigación referentes a las escalas de temperaturas. Valor por problema bien 1 punto Investigación 5 puntos Participación 1 por cada participación Todo trabajo tendrá que ser entregado en tiempo y forma para que tenga el valor descrito anteriormente, no se admiten trabajos fuera del tempo y fecha estipulado o pactado. El maestro recibirá su trabajo y será registrado para evitar problemas de entrega.