¿Qué se quiere expresar cuando decimos: hace calor? ¿Es correcto?
La termodinámica proviene de dos disciplinas
separadas hasta el siglo XIX, la
termología y la mecánica. La primera se encargaba de los fenómenos
exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la fuerza y el
trabajo.
La termodinámica es la parte de la física
que estudia las transferencias de calor,
la conversión de la energía y
la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los
comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de
equilibrio.
Tiene las
siguientes características:
- Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas
- Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas
- Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos
Calor y temperatura
El calor es una forma de energía que se transfiere de unos cuerpos a otros. Este concepto es físicamente de gran importancia y significa que los cuerpos ceden o ganan calor, más no lo poseen, es un concepto análogo al de trabajo.
La
temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas que
constituyen un cuerpo. Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, se produce
un aumento en la velocidad con la que se mueven sus moléculas.
Las
moléculas que conforman un sólido o un fluido están en constante movimiento,
debido a ello poseen cierta cantidad de energía. Al total de las energías
asociadas a las moléculas que constituyen una sustancia se le llama energía
interna. La energía total interna de una
cantidad de sustancia es igual a la suma de la energía cinética y potencial de
cada una de las partículas que la
constituyen. Cuando la energía interna de una sustancia aumenta, se produce un
aumento de la temperatura.
Medida de la
temperatura
Históricamente
se han diseñado diversas escalas para medir la temperatura a través de la
asignación arbitraria de un punto inicial, uno final y una serie de divisiones
o grados entre estos puntos limite. Las
más comunes son:
Escala centígrada o
Celsius: Se basa
en la asignación de un punto inicial, igual a cero, correspondiente a la
temperatura de solidificación del agua y de un valor igual a 100, para la
temperatura de ebullición del agua, a 1 atmósfera de presión. El intervalo
entre estos dos puntos se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales
se le denomina grado centígrado o grado Celsius, ºC.
Escala Fahrenheit: En esta escala se fijó el valor
de 32ºF como punto de congelación del agua
y de 212ºF para el punto de ebullición a una
presión de 1 atmósfera. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180
partes iguales, cada una de las cuales se llama grado Fahrenheit.
La
equivalencia entre las escalas centígrada y Fahrenheit es: TF = 9/5 TC + 32
Escala
Absoluta o Kelvin: Aquí se fija un valor de 0 a la temperatura más baja
posible, es decir, el estado en que todas las moléculas están en reposo
absoluto, esta temperatura equivale a -273ºC. Cada unidad o grado tienen la misma
magnitud la unidad en la escala centígrada, por lo que un valor de temperatura
dado en grados centígrados (TC),
se puede expresar en Kelvin (TK) mediante la relación:
TK = TC + 273
El
instrumento con el cual se mide la temperatura es el termómetro, cuyo
funcionamiento se basa en la dilatación que experimentan los materiales en
respuesta a un aumento de temperatura.
La siguiente gráfica muestra las tres escalas
de temperatura
Calor
y temperatura:
Escalas:
MEDIDA DEL CALOR.
Durante
los siglos XVII y XVIII, los científicos tenían opiniones enfrentadas acerca de
la naturaleza del calor, unos pensaban que era un fluido (fluido calórico) que
se difundía con enorme rapidez entre los cuerpos y que poseía masa, otros en
cambio, a los que el tiempo les dio la razón, creían que el calor se
relacionaba con la vibración de las moléculas de los cuerpos.
El
científico británico James Prescott Joule demostró que el trabajo mecánico
producía calor y encontró que para aumentar en un grado centígrado la
temperatura de un gramo de agua, era necesaria una energía de 4,186 julios. La
unidad de calor en el S. I. es el julio.
Una unidad de calor usada muy frecuentemente es la caloría (cal), definida como la cantidad de calor necesaria que se debe transferir a un gramo de agua para que su temperatura aumente en un grado centígrado, concretamente de 14,5ºC a 15,5ºC, esta unidad de medida del calor se utilizaba cuando se desconocía que el calor era energía, y existían por separado la termología y la mecánica, en las publicaciones científicas se usa la unidad de energía, el julio.
La
relación entre julios y calorías se conoce como el equivalente mecánico del
calor: 1 cal = 4,186 J
Otra
unidad de calor es la Unidad Térmica Británica
(B.T.U), que es la cantidad de calor que es necesario suministrar a una libra
de agua, para aumentar su temperatura en 1ºF.
Su
equivalencia es:
1 B.T.U = 252 calorías = 1,054x103J
INTERESANTE: Equivalente mecánico del calor:
http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/joule.html
CALOR ESPECÍFICO
El
calor específico, ce, de una sustancia es la cantidad de calor que
se debe suministrar a un gramo de sustancia para que su temperatura aumente en
un grado centígrado.
Cuanto
mayor sea el calor específico de una sustancia, mayor será la cantidad de calor
que deberá absorber para aumentar su temperatura, y de la misma forma, mayor
será también la cantidad de calor que desprenda cuando disminuya su
temperatura.
El
calor específico se mide en julios por kilogramo, por cada grado kelvin
(J/kg.K) o en calorías por gramo, por cada grado centígrado (cal/g.ºC).
Calor
específico de algunas sustancias:
Sustancia
|
Cal/g.ºC
|
J/kg.K
|
Agua
|
1,00
|
4186
|
Aire
|
0,24
|
1003
|
Alcohol
etílico
|
0,60
|
2511
|
Aluminio
|
0,22
|
920
|
Cobre
|
0,092
|
376
|
Hielo
|
0,53
|
2215
|
Hierro
|
0,12
|
502
|
Mercurio
|
0,03
|
126
|
Vapor
de agua
|
0,48
|
2020
|
Plomo
|
0,031
|
130
|
SIMULACIÓN: http://www.educaplus.org/game/calorimetria
Calcula el calor específico
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html#c1
EL CÁLCULO DEL CALOR
El calor Q, absorbido o desprendido por un cuerpo
para que se produzca un aumento o disminución de la temperatura, depende de
tres factores: de la masa, m, del
cuerpo, del calor específico, ce, y de la diferencia entre la
temperatura inicial, Ti, y la final, Tf. estos factores
se relacionan mediante la expresión:
Q = m(ce)ΔT
Cuando una sustancia absorbe calor y como
consecuencia aumenta su temperatura, la diferencia de temperatura, ΔT, es mayor
que cero, por lo que el calor absorbido es positivo; si la sustancia desprende
calor, y por ello disminuye su temperatura, la diferencia de temperatura, ΔT,
es menor que cero, por tanto, el calor desprendido es negativo.
Con ejemplos:
EQUILIBRIO TÉRMICO
Cuando dos cuerpos de masa m1
y m2, y cuyos calores específicos son respectivamente ce1
y ce2, que se encuentran a temperaturas diferentes, T1 y
T2, se ponen en contacto, el calor fluye desde el cuerpo de mayor
temperatura hacia aquel de menor temperatura y este flujo de calor se mantiene
hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. Cuando se produce esta
igualdad en las temperaturas, se dice que se produjo el equilibrio térmico.
Cuando se alcanza el equilibrio
térmico, el calor absorbido, Qabs, es igual y de signo contrario al
calor desprendido, Qdes y se cumple:
Qabs = – Qdes
EJERCICIOS RESUELTOS
1.-
¿Qué cantidad de calor hay que suministrarle a 2 kg de agua a 25ºC, para aumentar su temperatura
a 95ºC?
Datos:
m
= 2 kg = 2000 g
To
= 12ºC
Tf
= 95ºC
Ce
= 1cal/g ºC
Q
= ?
Solución
Sabemos
que el calor que se debe suministrar es
Q = m Ce(Tf – To), luego:
Q
= 2000g ( 1cal/g ºC)
(95ºC –
12ºC)
Q
= 2000g ( 1cal/g ºC) (83ºC) = 166000 cal = 166
kcal = 166000 (4,186J) = 694876 J
Q = 166 kcal = 694876 J
2.-
En un recipiente aislante que contiene 4 kg de agua a 30ºC, so coloca un trozo
de plomo de 600 g con una temperatura de 850ºC. ¿Cuál debe ser la temperatura
de equilibrio en kelvin, teniendo en cuenta que el recipiente ni cede ni
absorbe calor?
Datos:
Para
resolver este ejercicio, debemos calcular la cantidad de calor que cede o
absorbe cada uno de las masas, llamando a la temperatura de equilibrio de los
dos cuerpos, Tm y aplicar el principio de conservación de la energía,
calor absorbido = – calor cedido
Para
el agua:
ma
= 4 kg = 4000 g
To
= 30ºC
Tm
= ?
Ce
= 1cal/g ºC
Qa
= ?
Como
el agua está a menor temperatura que el plomo absorbe calor, luego:
Qa
= ma Ce(Tm – To)
Qa
= 4000 g (1cal/g ºC) (Tm – 30ºC) = 4000 cal/ ºC(Tm – 30ºC)
(1)
Para
el plomo, como está a mayor temperatura que el agua, cede calor, el calor
cedido es:
Qp
= – mp Ce(Tm – To) = mp Ce(To
– Tm)
m
= 600 g
To
= 850ºC
Tm
= ?
Ce
= 0.031cal/g ºC
Qp
= ?
Qp
= mp Ce(To – Tm)
Qp
= 600 g (0,031cal/g ºC) (850ºC – Tm) = 18,6 cal/ ºC (850ºC
– Tm) (2)
Igualando
las ecuaciones (1) y (2), tenemos:
Qa = Qp
4000
cal/ ºC(Tm – 30ºC) = 18,6 cal/
ºC (850ºC – Tm)
4000
(Tm – 30ºC) = 18,6 (850ºC
– Tm)
4000Tm – 120000ºC = 15810ºC – 18,6Tm
4000Tm + 18,6Tm =
15810ºC + 120000ºC
4018,6 Tm = 135810ºC de donde
Tm
= 135810ºC/4018,6
= 33,79ºC
La
temperatura final es de 33,79ºC = 306,79
K
