Tema 3: La materia. Segunda parte Esquema de trabajo: 1. Temperatura Concepto Unidades de medida 2. Calor Concepto Unidades de medida 3. Calor específico Concepto Unidad de medida 4. Cambios de estado: Calor Latente Cambios de estado Calor Latente: Concepto. Unidad de medida 1.- Temperatura La temperatura de un cuerpo es una magnitud que nos informa sobre el grado de agitación de las partículas que forman dicho cuerpo. Cuanto mayor es la agitación de las partículas, mayor será la temperatura del cuerpo. Las partículas del objeto 2 presentan una mayor agitación que las del objeto 1. Por lo tanto, la temperatura del objeto 2 es mayor que la del objeto 1 T2 > T1 1
El S.I. utiliza la escala Kelvin (K) para expresar la temperatura, sin embargo no es la única, destaca el uso de la escala centígrada o Celsius (ºC) y de la escala Fahrenheit (ºF) en los paises anglosajones Para encontrar equivalencias entre una y otra escala de temperatura utilizaremos las siguientes fórmulas: T(K) = t (ºC) + 273.t (ºC) = T (K) 273 El aparato utilizado para conocer la temperatura de un cuerpo es el termómetro 3.- Calor El calor es una manifestación de energía. Podemos definir calor como la energía que se intercambia entre dos cuerpos como consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor se representa con la letra Q La unidad de medida del Calor en el S.I. es el Julio (J) aunque también, resulta habitual usar la caloría (cal). 1 cal = 4,18 J El calor fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta que ambos se encuentren a la misma temperatura, en ese instante diremos que se ha alcanzado un EQUILIBRIO TÉRMICO y la temperatura alcanzada se denomina TEMPERATURA DE EQUILIBRIO. La temperatura de equilibrio estará comprendida entre las dos temperaturas de partida. Cuerpos 1 y 2 a distintas temperaturas 2 Cuerpos 1 y 2 en Equilibrio térmico
Criterios de signos para el calor Al calor absorbido por un cuerpo se le asigna signo positivo (+) ya que representa una ganancia de energía Al calor cedido por un cuerpo se le asigna signo negativo (-) ya que indica una pérdida de energía Q absorbido Q cedido ( + ) ( - ) Cómo afectaría una pérdida de calor al grado de agitación de las partículas de un cuerpo? qué ocurriría con la temperatura del cuerpo? 4.- Calor Específico El calor específico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calor que hay que aplicar a un kilogramo de esa sustancia para aumentar su temperatura un grado. Su unidad de medida en el S.I. es el J/ kg K. Ce Sustancia J/kg K Agua 4180 Hielo 2090 Acero 460 Aluminio 880 Cobre 390 Estaño 230 Hierro 450 Mercurio 138 Oro 130 Plata 235 Plomo 130 Sodio 1300 El calor específico es una propiedad característica de cada sustancia. Por ello, si aplicamos una misma cantidad de calor a dos sustancias distintas no podemos esperar que alcancen la misma temperatura. Por ejemplo: Si aplicamos una misma cantidad de calor a una barra de hierro y al agua contenida en un recipiente, observamos que la barra se calienta de forma más rápida que el agua, esto se debe a que el calor específico del hierro es menor que el del agua (mira la tabla). Explica por qué cuando vamos a la playa, la arena quema y agua del mar no 3
La expresión que nos permite conocer la cantidad de calor intercambiada por una sustancia al variar su temperatura es la siguiente: Ejemplo: Calcula el calor necesario para que 60 g de cobre a 20 ºC se caliente hasta alcanzar 80ºC, sabiendo que el calor específico del cobre es de 390 J/kg K Datos.m= 60 g:1000=0.06 kg.t f = 80 + 273 = 353 K.t i = 20 + 273 = 293 K Q = 0,06 kg 390 Q = m Ce ( t f t i ) J kg K Q = 1404 J (353K 293K) 5.- Cambios de estado: Calor Latente Cambios de estado La materia puede presentar los siguientes cambios de estados, que ya conoces: Sublimación Fusión Vaporización SÓLIDO LÍQUIDO GAS Solidificación Condensación Licuación Sublimación inversa En el estado sólido, las partículas vibran a una determinada velocidad, si le comunicamos una cantidad de energía, en forma de calor, las vibraciones aumentan, subiendo la temperatura, hasta llegar a un punto donde las fuerzas entre las partículas se debilitan permitiendo el paso al estado líquido. Si seguimos comunicando energía, 4
aumentará la agitación de las partículas del líquido, con el consiguiente aumento de la temperatura, hasta llegar a un punto donde la agitación es tan grande que las partículas se deshacen de las fuerzas, quedando libres, dando lugar al estado gaseoso. Q Q Observamos como la energía comunicada en forma de calor tiene dos funciones: Aumentar la temperatura Cambiar de estado Calor Latente Se entiende por Calor latente (L) a la cantidad de calor que intercambia un kilogramo de una sustancia para cambiar de estado. Su unidad de medida en el S.I. es el Julio/kiligramo (J/kg). Q = m L Dependiendo del cambio de estado que se efectúe podemos hablar de calor latente de sublimación (Ls), calor latente de vaporización (Lv)...etc. El calor latente es una energía que se invierte en cambiar de estado y no en aumentar la temperatura de la sustancia. Es una propiedad característica de cada sustancia. 5
Sustancia Tabla de calor latente de algunas sustancias de interés T fusión ºC L f (J/kg) T ebullición ºC L v (J/kg) Hielo (agua) 0 334000 100 2260000 Alcohol etílico -114 105000 78.3 846000 Acetona -94.3 96000 56.2 524000 Benceno 5.5 127000 80.2 396000 Aluminio 658.7 322000 2300 9220000 Estaño 231.9 59000 2270 3020000 Hierro 1530 293000 3050 6300000 Cobre 1083 214000 2360 5410000 Mercurio -38.9 11730 356.7 285000 Plomo 327.3 22500 1750 880000 Potasio 64 60800 760 2080000 Sodio 98 113000 883 4220000 6
Ficha de ejercicios 1.- Qué entiendes por temperatura? Cuál es su unidad en el S.I.? 2.- Qué es el calor? Cuáles son las unidades de medida? Cuál de ellas pertenece al S.I.? 3.- Transforma las siguientes cantidades de calor según se indique: 48 J cal. 96 cal J. 12 J kcal. 4.- Explica los diferentes cambios de estados que conozcas. Haz un esquema que facilite tu explicación. 5.- Define: temperatura de fusión y temperatura de ebullición. 6.- Qué es Calor Latente?. En que unidad se mide? 7.- Calcula la cantidad de calor necesaria para fundir 200 g de aluminio si su calor latente de fusión es de 3.21 10 5 J/kg. 8.- Calcula la cantidad de calor necesaria para vaporizar 480 g de agua. Dato: calor latente de vaporización : 2,24 10 6 J/kg. Expresa su resultado en Julios, Calorías y Kilocalorías. 9.- Cuántos gramos de mercurio se funden al aplicar una cantidad de calor de 99400 J si su calor latente de fusión es de 2.84 10 5 J/Kg? 7