DEFINICION Y EJEMPLO DE CALOR ESPECIFICO
El calor específico: es una magnitud física física que se define como la cantidad cantidad de calor que hay que suminis suministra trarr a la unidad unidad de masa masa de una sustancia sustancia o sistem sistemaa termodi termodinám námico ico para para elevar elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra (minúscula). El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa. DEFINICION DE CALOR Y TEMPERATUTA
La temperatura: es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.
Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de una taza de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga t enga millones y millones de moléculas de agua más que la taza. El calor : es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, RELACIONES ENTRE ESCALAS
De estas cifras, se desprende la siguiente proporción: 100º C = 80º R = 180ºF = 100ºK = 180º RA. PRINCIPIOS DE TRANSMISION DE CALOR Conducción. La transmisión transmisión de calor por conducción puede puede realizarse realizarse en cualquiera de los tres
estados de la materia: sólido líquido y gaseoso. La conducción es básicamente un mecanismo de cesión de energía entre partículas contiguas . La energía de las moléculas aumenta al elevarse la temperatura. Esta energía puede pasar de una molécula a otra contigua y de esta a la siguiente y así sucesivamente ya se por choque entre partículas, en los fluidos o por vibraciones reticulares en los sólidos. La conducción en los sólidos goza pues de un soporte material, que son las moléculas del propio cuerpo, las cuales vibran en posiciones fijas sin desplazarse, por lo tanto la transferencia de energía por conducción, macroscópicamente no involucra transporte de materia. El razonamiento es válido tanto para la transferencia de energía dentro de un sólido, c omo para sólidos en contacto. En los fluidos, la conducción se explica gracias al intercambio de energía cinética de sus moléculas, que se produce como consecuencia de choques entre las mismas. La transmisión de calor por conducción en los fluidos se produce fundamentalmente en lo que definiremos como la capa límite y tiene poca importancia en el resto de la masa.
Convección. En contraposición con la conducción, la convección implica transporte de energía y de materia, por lo tanto, esta forma de transmisión de calor es posible solamente en los fluidos y es
además característica de ellos.
De un modo más general, podemos explicar que el modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (conducción), la energía también se transfieremediante el movimiento global o macroscópico del fluido, esto es la transferencia de calor se debe entonces a una superposición de dos transportes de energía, uno por el movimiento de las moléculas y el otro por el movimiento global del fluido. Se acostumbra a utilizar el término convección haciendo referencia a este transporte acumulado. Radiación. La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. Centraremos nuestra atención en la radiación de superficies sólidas, si bien esta radiación también puede provenir de líquidos o gases. En la radiación térmica, el calor se transmite mediante ondas electromagnéticas , al igual que la luz, pero de distintas longitudes de onda. La energía radiante depende de las características de la superficie y de la temperatura del cuerpo emisor. Al incidir sobre un receptor, parte de la energía pasa a este otro cuerpo, dependiendo de las características del mismo y de su poder de absorción. Esta energía se traduce en un aumento de la temperatura del segundo cuerpo. La transferencia de calor por radiación involucra únicamente el transporte de energía, no necesita un soporte material , efectuándose incluso en el vacío. EJERCICIOS DE TRANSFORMACION DE ESCALAS Existencia de diferentes escalas termométricas hace necesario conocer las relaciones entre ellas: (1) Donde: º C: grados centígrados º F: grados Fahrenheit º R: grados Rankine Para transformar grados centígrados a grados Fahrenheit se usa la siguiente expresión: (2) Para transformar grados Fahrenheit a grados centígrados se usa la siguiente expresión:
(3) Para transformar grados centígrados a grados Kelvin se usa la siguiente expresión: (4) Para transformar grados Fahrenheit a grados Rankine se usa la siguiente expresión: (5) Para realizar conversiones que involucren incrementos de temperatura, se emplea: 1,8 º F = 1 º C (6) 1,8 R = 1 K (7) 1 º F = 1 R (8)
1 º C = 1 K (9) Expresa la temperatura del cuerpo humano, 37ºC, en Kelvin y en grados Fahrenheit. SOLUCION
Para expresar la temperatura en K, partimos de la relación TK = TC + 273. Por tanto, TK = 37 + 273 = 310 K Para expresar la temperatura en ºF, utilizamos la expresión TF = 9/5. TC + 32 TF = 9/5. 37 + 32 = 98.6ºF ASPECTOS IMPORTANTES DE DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA
FACTORES QUE AFECTAN LOS CAMBIOS DE ESTADO •
La presión:
Al aumentar la presión exterior, el punto de ebullición se eleva, pues se requiere una mayor agitación térmica(es decir, mayor temperatura) para que la presión de las burbujas contrarresten la presión externa. La presión también influye en el punto de fusión de las sustancias, de manera que, un incremento en la presión produce un incremento en el pinto de fusión de las sustancias •
Presencia de solutos
L adición de sustancias a un liquido modifica los puntos de fusión y ebullición del mismo Otra aplicación importante del descenso del punto de fusión debido a la presencia de solutos se encuentra en los anticongelantes, sustancias que se adicionan al agua circulante en los sistemas de refrigeración de algunos vehículos. LOS GASES
El comportamiento y características de los gases han llevado a la formulación de una serie de leyes que describen estas observaciones d4e manera general. •
LEY DE BOYLE
En un fluido en reposo, una variación en la presión externa se transmite sin reducción a todas las portes del mismo. El químico irlandés Robert Boyle (1627-1691) fue el primero en determinar cuantitativamente la relación entre la presión ejercida en un gas y el volumen del mismo, enunciando la siguiente ley empírica: A temperatura constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión externa a la cual este sometido dicho gas. Matemáticamente esto se expresa como: P x V = Constante, Donde P representa la presión externa y V el volumen del gas. Es decir, si una determinada masa de gas ocupa un volumen igual a V1 cuando se encuentra a una presión de P1 y ocupa un volumen de V2 bajo una presión V2 el producto de la presión externa por el respectivo volumen del gas, es igual en las dos situaciones: P1 x V1 = P2 x V2 •
EJEMPLO
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LEY DE GAY-LUSSAC
En 1808 el químico francés J.L Gay-lussac (1778-1850) demostró para diferentes gases, que una determinada masa de cualquiera de estos, se dilataba en proporciones similares al aumentar la
temperatura un intervalo dado siempre que la presión se mantu viera constante. Su descubrimiento se puede resumir en la siguiente ley empírica conocida como ley de gay lussac: A presión constante, el volumen que ocupa determinada masa de gas es directamente proporcional a la temperatura (k) a l a que se encuentra el gas
La relación de proporcionalidad dire4cta entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura, se expresa matemáticamente así: V = Constante T Donde V es el volumen y T es la temperatura. Es decir, si una determinada masa de gas ocupa un volumen V1 cuando su temperatura es T1 y un volumen V2, cuando su temperatura es T2, los cocientes entre los volúmenes y las temperaturas respectivas, son iguales. De manara que: V1 V2 T1 = T2 •
LEY DE LOS GASES IDEALES
Las leyes de Boyle y de gay-lussac se combinar en única ley que nos indique a la ves la dependencia del volumen de determinada masa de gas con respecto a la presión y a la temperatura. Es la ley conocida como la ley de los gases ideales se enuncia así: Para una determinada masa de cualquier gas se cumple que el producto de la presión por el volumen dividido entre el valor de la temperatura medida en K, es una constante:
P x V = constante T Ningún gas real es ideal, pero la mayor parte de los gases, a densidades bajas, cumple la ley de los gases ideales, siempre que la temperatura no sea cercana al punto en el cual se condensa. Para un gas ideal que inicialmente se encuentra a una temperatura de 1, esta sometido a una presión P1 y ocupa un volumen V1 y que posteriormente se encuentra a una temperatura de 2, está sometido a una presión P2 y ocupa un volumen V2 podemos encontrar una expresión que relacione estas variables en los estados inicial y final de una cierta masa de gas, como se muestra a continuación. P x V = constante T De donde, tenemos que: P1 x V1 = P2 x V2
QUE ES UN CALORIMETRO?
APARATO UTILIZADO PARA DETERMINAR EL CALOR ESPECIFICO DE UN CUERPO, ASI COMO PARA MEDIR LAS CANTIDADES DE CALOR QUE LIBERAN O ABSORBEN LOS CUERPOS. CARACTERISTICAS
UN CALORIMETRO IDEALMENTE PUEDE SER INSENSIBLE A LA DISTRIBUCION ESPACIAL DE LAS FUENTES DE CALOR DENTRO DE EL. SI ESTE OBJETIVO ES ALCANZADO, ENTONCES LA POTENCIA PUEDE EN PRINCIPIO SER MEDIDA A CUALQUIER FRECUENCIA POR DISIPACION EN EL CALORIMETRO Y DETERMINAR LA CORRESPONDIENTE POTENCIA DC QUE DA LA MISMA LECTURA QUE LA POTENCIA NO CONOCIDA.
POR SUPUESTO LA TAREA DE DISEÑAR UN CALORIMETRO QUE SEA COMPLETAMENTE INSENSIBLE A LA DISTRIBUCION DE CALOR, NO ES POSIBLE Y LO MEJOR QUE PUEDE ALCANZARSE ES CONSTRUIR UN INSTRUMENTO EL CUAL TENGA UN CONOCIDO FACTOR DE CORRECCION, ESTOS FACTORES DE CORRECCION SON EVALUADOS DE UNA COMBINACION DE MEDICIONES Y CALCULOS, TENEMOS LA EFICIENCIA EFECTIVA:
LA EFICIENCIA EFECTIVA (e.e.) ES UN PARAMETRO RELATIVAMENTE ESTABLE PARA MAS INSTRUMENTOS Y SIENDO ADIMENSIONAL ES INDEPENDIENTE DEL SISTEMA DE UNIDADES USADO. PARA LA MAYOR PARTE DE LOS CALORIMETROS LA e.e. PUEDE SER EVALUADA CON UNA INCERTIDUMBRE DE 0.1% A 1 GHz, 0.2 % A 40 GHz Y 0.5 % A 100 GHz.
LAS CORRESPONDIENTES INCERTIDUMBRES EN LOS VALORES DE LA POTENCIA ABSORBIDA RF O DE MICROONDAS SERAN NATURALMENTE UN POCO MAYORES QUE LOS DADOS, YA QUE DEPENDEN POR EJEMPLO DE LOS CONECTORES
AUNQUE EL PRINCIPIO DE MEDICION DE POTENCIA POR MEDIO DE SUS EFECTOS CALORIFICOS ES UNO DE LOS VIEJOS METODOS, LOS CALORIMETROS ACTUALES TIENEN SUS ORIGENES EN LOS DESARROLLOS DE LOS AÑOS 40 Y 50.
VENTAJAS
ALTA PRECISION
ESTABILIDAD DE CALIBRACION
DESVENTAJAS
BAJA VELOCIDAD DE RESPUESTA
MUY VOLUMINOSOS
TIPOS DE CALORIMETROS
ESTATICOS
NO ESTATICOS
Temperatura y Calor (Ejercicios)
Teoría Problemas
Ejercicio T-1 .
Una persona, viajando por Inglaterra, se siente indispuesta y va al médico. Este tras revisarla, le informa que su temperatura axilar es de 100°F. ¿Cuál es su temperatura en grados Celsius? ¿Y en Kelvin? Resolución:
La relación entre la escala Celsius y la Fahrenheit es:
despejando obtenemos:
La temperatura expresada en Kelvin es:
Ejercicio T-2
Se emplea un calentador de 500 W de potencia para calentar 1 L de agua, llevándola de los 20 °C hasta los 100°C. Calcule el tiempo que debe estar funcionando el calentador, para realizar el proceso antes mencionado, suponiendo que toda la energía calorífica disipada por el calentador es absorbida por el agua. Resolución:
Debido a que en el intervalo de temperatura especificado no existe cambio de fase, la energía calorífica necesaria para lograr el incremento de temperatura es:
Donde “m” es la masa del cuerpo que en el Sistema Internacional se mide en kilogramos; “ c” es el calor específico medio que se mide en Joule por kilogramo y por Kelvin (J / kg-K) y ∆ t es la variación de temperatura en Kelvin que es igual a la variación de temperatura en grados Celsius quedando entonces expresada la energía calorífica (que comunmente llamamos calor) expresada en Joule.
Como el agua posee una densidad unitaria, 1 L de agua posee una masa de 1 kg y el calor específico medio del agua en el intervalo de temperatura especificado es aproximadamente 4187 J / kg-K
La energía calorífica necesaria es:
Potencia, por definición, es trabajo por unidad de tiempo por lo que el tiempo necesario para hacer llegar al agua a los 100°C es:
Ejercicio T-3
Un recipiente metálico, que contiene 200 g de agua hirviendo a la presión atmosférica normal, se encuentra sobre un calefactor que suministra energía calorífica con una potencia de 500 W. Calcule el tiempo que tarda en evaporarse toda el agua suponiendo que toda la energía irradiada por el calefactor, es captada por el agua. Resolución:
Mientras el agua hierve, toda la energía captada es empleada para transformar el agua líquida en
vapor. Energía que se le llama calor latente. El calor latente del agua a la presión atmosférica normal es 540 cal/g y la energía necesaria para evaporar una cierta masa de agua es:
En nuestro caso que deseamos determinar el calor para evaporar 200 g de agua escribimos:
¿Qué cantidad de calor necesita absorber un trozo de cobre cuya masa es 25g si se encuentra a una temperatura de 8ºC y se desea que alcance una temperatura final de 20ºC? Datos: Q=x m = 25g ce = 0,093cal ºC g tº inicial = 8ºC tº final = 20ºC tº = 20ºC - 8ºC = 12ºC Aplicando la fórmula: Q = c tº m Reemplazando: Q = 25g · 12ºC · 0,093cal ºC g Q = 27,9 calorías ¿Cuánto calor necesitan 250cc de agua para llegar a una temperatu-ra de 100ºC, es decir, para convertirse en vapor, si se encuentra a una temperatura de 20ºC? Datos: Q=x m = 255cc = 255g
ce = 1cal ºC g tº inicial = 20ºC tº final = 100ºC tº = 100ºC - 20ºC = 80ºC Aplicando la fórmula: Q = c tº m Reemplazando: Q = 255g · 80ºC · 1cal ºC g Q = 20.000 calorías ¿Cuánto calor necesitaría absorber un trozo de hielo de 420g para convertirse en un líquido de 20ºC si se encuentra a una temperatura de -20ºC? Datos: Q=x m = 420g ce = 0,505cal ºC g tº inicial = -20ºC tº final = 20ºC tº = 20ºC - (-20)ºC = 40ºC Reemplazando: Q = 420g · 40ºC · 0,505cal ºC g Q = 8.484 calorías ¿Qué cantidad de calor necesita un trozo de hierro cuya masa es de 731g si se encuentra a una temperatura inicial de 10ºC y se desea que alcance una temperatura final de 25ºC? Datos: Q=x m = 731g
ce = 0,113cal ºC g Es todo lo que encontre saludos tº inicial = 10ºC tº final = 25ºC tº = 25ºC - 10ºC = 15ºC Reemplazando: Q = 731g · 15ºC · 0,113cal ºC g Q = 1.239,045 calorías ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 250 g de aluminio de 20 a 95° C? datos formula resultados m = 250 g Q = m c ( T f -T 0 ) Q = 250 g( 0.113 g )(95º - 20º ) = 2 118.75 T 0 = 20º T f = 95º
