Calor Introducción

Tema 8. Calor Introducción

Nuestro organismo necesita mantenerse a una temperatura casi constante, por lo que buscamos la manera de lograrlo. Cuando hace calor usamos ropa ligera o tomamos bebidas frías; cuando hace frío usamos chamarra y ropa más gruesa. Por otro lado, si queremos conocer la temperatura de una taza con café, introducimos un termómetro en la taza y al interactuar los dos, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco para poder leer la temperatura. Lo anterior está relacionado con el calor y equilibrio térmico. Estos conceptos serán estudiados en este tema, así como los aislantes, todos ellos conceptos físicos con los que convivimos diariamente.

Explicación 8.1 Concepto de calor

El calor se relaciona con la energía cinética (movimiento) y energía potencial (posición) de las moléculas de una sustancia, y puede ser medido cuando se registra un cambio de temperatura. Por lo que se puede definir al calor como la energía que se transmite de un cuerpo (sustancia) a otra en función de una diferencia de temperaturas. Se da también una transferencia de calor cuando se realiza un cambio de fase de una sustancia. A continuación se escriben algunos conceptos importantes de los conceptos de calor: a. Caloría: es el calor necesario para elevar la temperatura en un grado Celsius, de un gramo de agua.

b. Calor específico: es el calor necesario para elevar la temperatura en un grado Celsius, de un gramo de una sustancia. c. Calor latente de fusión: es el calor que se agrega a un gramo de una sustancia para cambiarla del estado sólido a líquido, sin cambiar su temperatura. d. Calor latente de solidificación: es el calor que se extrae a un gramo de una sustancia para cambiarla del estado líquido a sólido, sin cambiar su temperatura. e. Calor latente de vaporización: es el calor que se agrega a un gramo de una sustancia para cambiarla del estado líquido a vapor, sin cambiar su temperatura. f. Calor latente de condensación: es el calor que se extrae a un gramo de una sustancia para cambiarla de los estados vapor a líquido, sin cambiar su temperatura. g. Ecuación de calor en cambio de temperatura: si un cuerpo o sustancia es sometido a un cambio de temperatura, el calor que experimenta se determina por la ecuación:

En donde Q es el calor, m la masa de la sustancia, ΔT el cambio de temperatura, c es el calor específico de la sustancia. h. Ecuación de calor en cambio de fase: si un cuerpo o sustancia es sometido a un cambio de fase, el calor que experimenta se determina por la ecuación:

En donde Q es el calor, m la masa de la sustancia, L es el calor latente, que puede ser de fusión, solidificación, vaporización o condensación, según sea el caso del cambio de fase. 8.2 Equilibrio térmico y ley cero de la termodinámica

Para medir la temperatura de un cuerpo, se coloca el termómetro en contacto con él, entonces el termómetro se calienta y la parte del cuerpo en contacto con el termómetro tiene un leve enfriamiento por el calor que empieza a transferirle al termómetro, pero un tiempo después, la temperatura en el termómetro se estabiliza, y entonces se alcanza lo que se conoce como el equilibrio térmico. Esto es cuando están a la misma temperatura, al analizar bien esta situación se observa que hay 3 cuerpos relacionados, en donde dos de ellos están en contacto, es decir: el cuerpo (objeto A) está en contacto con el vidrio (objeto B) del termómetro, y este a su vez, está en contacto con el mercurio (objeto C) dentro del termómetro, que finalmente va a expandirse o contraerse, debido a un cambio de temperaturas, y así registrar la lectura del valor de la temperatura del cuerpo. Este fenómeno físico, se generaliza en el siguiente principio conocido como ley cero de la termodinámica.

En el caso anterior, nos damos cuenta que los objetos A, B y C, no están inicialmente en equilibrio térmico, pero al ponerlos en contacto, después de cierto tiempo y debido a la interacción térmica y flujo de calor entre ellos, se logra que alcancen el equilibrio térmico, lo que da lugar al siguiente enunciado de este principio: A (el cuerpo) y C (el mercurio) no están inicialmente en equilibrio térmico, pero B (el vidrio) se pone en contacto con A y C, de tal manera que B alcanza el equilibrio térmico con A y C, por lo tanto se concluye que A y C también alcanzan el equilibrio térmico. Con esto se concluye que los termómetros miden su propia temperatura, pero cuando alcanzan el equilibrio térmico con otros cuerpos, las temperaturas se igualan y de manera indirecta se está midiendo la temperatura del cuerpo en contacto con el termómetro. 8.3 Calorimetría Calorimetría se refiere a la medición del calor, el cual se presenta cuando hay cambios de temperatura o bien cambios de fase. Si se introduce una cuchara metálica fría en una taza con café caliente, la cuchara se calienta y el café se enfría hasta alcanzar el equilibrio térmico, que se logra debido a la transferencia de energía térmica de la sustancia más caliente a la otra, en este caso del café a la cuchara. Esta transferencia de energía se conoce como flujo de calor o transferencia de calor, y a la energía que se está transfiriendo es precisamente el calor. A continuación se presenta un ejemplo para medir el calor que se requiere agregar para que una masa de 20 gr de hielo a -10°C, se logre transformarlo a vapor a 130°C, suponiendo un sistema aislado en donde no hay pérdidas de calor por el medio ambiente. Se debe considerar los diferentes valores de calor específico, así como de calor latente, siendo estos: Sustancia Calor específico cal/gr °C Calor latente Calor en cal/gr

Hielo

0.5

fusión

80 Agua 1

Vapor de agua

0.48

vaporización

540 Haz clic aquí para ver el proceso de transferencia de energía térmica que se lleva a cabo: En el ejemplo anterior se requiere de una fuente externa de calor para llevar a cabo el proceso de transferencia de energía térmica, pero hay otros casos en donde no hay fuente externa de calor, en lugar de esto, las mismas sustancias que se ponen en contacto, las de mayor temperatura ceden calor a las de menor temperatura, en este caso la suma algebraica de la cantidad de calor que se efectúa en cada proceso se iguala a cero, es decir:

Otra manera de ver este proceso es:

Un ejemplo sencillo de esto es el siguiente: 20 gr de hielo a 0°C, se mezclan en un calorímetro de 40 gr de aluminio, que contiene 60 gr de agua a 70°C, determinar la temperatura de final, cuando se alcanza

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