CANTIDAD DE CALOR CAPACIDAD CALORÍFICA

VI        CANTIDAD DE CALOR[pic 1]

6.1        CANTIDAD DE CALOR

Se llama así, a la cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo o sustancia al ponerse en contacto con otra sustancia o cuerpo, que se encuentra a diferente temperatura, cuya ecuación es:

[pic 2]                    (52)

Donde [pic 3], es el calor específico, [pic 4] la masa y [pic 5], La variación de temperatura.

-        Cuando [pic 6], se dice que la sustancia o cuerpo absorbe o gana calor

-        Cuando [pic 7], se dice que el cuerpo pierde calor.

6.2        CAPACIDAD CALORÍFICA

La temperatura de un cuerpo generalmente aumenta cuando se le transfiere energía mediante calentamiento. La cantidad de calor “[pic 8]” necesaria para elevar la temperatura de un sistema es proporcional a la variación de temperatura y a la masa de la sustancia.

[pic 9]                     (53)        

[pic 10]                        (54)                

En donde [pic 11], es la capacidad calorífica de la sustancia, que se define como la cantidad de energía transferida por calentamiento y que es necesaria para aumentar un grado la temperatura de la sustancia o cuerpo, se mide en [pic 12]

6.3        CALOR ESPECÍFICO

Se define como la cantidad de  calor que se debe suministrar a la masa de una sustancia o cuerpo para elevar o disminuir su temperatura en un grado centígrado, es decir:

[pic 13]                         (55)

Pero de la ecuación (54), remplazamos en la ecuación (55), para obtener:

[pic 14]                  (56)

Siendo [pic 15] y [pic 16], las temperaturas inicial y final respectivamente. El calor específico es una cantidad escalar, que depende de la composición y estructura interna de la sustancia.

Su unida es [pic 17]  o en [pic 18].

La caloría se define en el SI como la energía, es decir [pic 19], según esta definición, por ejemplo el calor especifico del agua en unidades del SI es:

[pic 20]

[pic 21]

6.4        CALORIMETRIA

E calor específico de un cuerpo puede medirse calentándolo primero a una cierta temperatura, como por ejemplo el punto de ebullición del agua, situándolo a continuación en un baño de agua, de masa y temperatura conocidas, y midiendo, por ultimo, la temperatura final de equilibrio entre el cuerpo y el baño. Si el sistema en su totalidad está aislado térmicamente de su entorno, el calor que sale del cuerpo tiene que ser igual al calor que entra en el agua y en el recipiente.

Este procedimiento se llama Calorimetría y el recipiente que contiene el agua se llama calorímetro.

Sea [pic 22] la masa del cuerpo u objeto, cuyo calor especifico [pic 23]y [pic 24], temperatura inicial. Si [pic 25], es la temperatura final del cuerpo dentro de su baño de agua, el calor que sale del cuerpo es:

[pic 26]                  (57)

De manera análoga, si [pic 27], es la temperatura inicial del agua y su recipiente, y [pic 28], su temperatura final. La temperatura final del cuerpo y del agua será la misma, ya que finalmente alcanzan el equilibrio, el calor absorbido por el agua y el recipiente es:

[pic 29]                   (58)

Donde [pic 30]y [pic 31], son la masa y el calor especifico del agua y [pic 32], [pic 33], son la masa y el calor especifico del recipiente.

Igualando las cantidades de calor de las ecuaciones (57) y (58) obtenemos el calor específico del objeto, es decir:

[pic 34]

[pic 35]                      (59)

La ecuación (57) solo aparecen diferencias de temperaturas y como los grados Celsius y los Kelvin tienen el mismo tamaño, pueden medirse todas las temperaturas bien e la escala Celsius o en la escala Kelvin sin que se vea afectado el resultado.

6.5        EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

Es el factor de conversión que permite transformar la energía térmica (caloría) en energía mecánica (Joule). Joule utilizando una rueda con paletas conectada a un conjunto de poleas con pesos en sus extremos pudo mostrar una relación precisa entre la energía mecánica de los pesos en las poleas y el aumento de temperatura del agua en el recipiente, debido a la rotación de las paletas. Esto da:

[pic 36] o [pic 37]
[pic 38]

Por ejemplo en la figura (45) al desplazarse los niños en la pista de hielo, el trabajo contra la fuerza de fricción, que aparece entre los patines y el hielo, se transforma en energía en forma de calor, como resultado se derrite una parte del hielo en la pista de patinaje.

[pic 39]

En la Figura. 46 se muestra un diagrama esquemático de del experimento de Joule. En esta figura el esquema de interés es el agua en un contenedor térmicamente aislado. Sobre el agua se invierte trabajo mediante una rueda de paletas giratoria, que se impulsa mediante pesados bloques pesados que caen con una rapidez constante. Si la perdida de energía en los cojinetes es despreciable, la perdida en energía potencial es [pic 40], donde, es la masa de un bloque; esta energía hace que la temperatura del agua aumente, debido a la fricción  entre las paletas y el agua. La constante de proporcionalidad que encontró era de aproximadamente [pic 41]. Por lo tanto, esta cantidad de energía mecánica eleva la temperatura de un gramo de agua en 1ºC.

1. CALOR LATENTE

ES la cantidad de calor necesaria que se debe suministrar o sustraer a una unidad de masa de una sustancia saturada, para que esta cambie de fase, es decir:

        [pic 42]                        (60)        

A la ecuación (60), se llama calor latente por que esta energía agregada o retirada no resulta en un cambio de temperatura. El valor de [pic 43], para una sustancia depende de la naturaleza del cambio de fase, así como de las propiedades de la sustancia. El calor latente puede ser positivo o negativo, es decir, a veces se necesitará calentar al sistema y en otras veces enfriarlo, con la finalidad de que se produzca el cambio de fase. Experimentalmente se ha observado que [pic 44] depende, en general, de la presión a la que se realiza el cambio de fase.  Por ejemplo para el agua el calor latente de fusión (solidificación) y vaporización (condensación) es:

-        Fusión – solidificación o Solidificación  - fusión.  ([pic 45])

[pic 46]

-        Vaporización – condensación o Condensación - vaporización.[pic 47]

[pic 48][pic 49]

6.7        CAMBIOS DE ESTADO

Se denomina cambios de estado o de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un material que ocurran a una temperatura bien definida. El ejemplo más usual de cambios de fase es el paso de un material entre sus estados sólido, líquido y gaseoso. Otros ejemplos de cambios de fase son el paso de una estructura cristalina a otra en hielo a distintas presiones, la propiedad magnética adquirida o perdida por algunos materiales a ciertas temperaturas, y la pérdida de la resistencia eléctrica a muy bajas temperaturas (superconductividad) en el caso de algunos materiales.

Para el caso de los cambios de estado sólido, líquido y gaseoso en un material, la temperatura a que ocurre el cambio depende de la presión a que esté sometido el material. Por ejemplo, el agua pasa de estado líquido a gaseoso (hierve) a más de 100ºC si la presión es mayor que la atmosférica, y a menos de esa temperatura si la presión es menor que la atmosférica. Usualmente se llama "fusión" al paso de un material de fase sólida a líquida (y "solidificación" al paso contrario), y "vaporización" al paso de fase líquida a la gaseosa (y "licuación" al paso contrario). A presiones relativamente bajas es posible pasar directamente un cuerpo de fase sólida a la gaseosa, sin pasar por la fase líquida. Este proceso es llamado "sublimación".

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