Cantidad de Calor - Teoria

8/18/2019 Cantidad de Calor - Teoria

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Cantida

de

Calor

A PowerPoint Presentation by

Paul E.

Tippens

, Professor of Physics

Southern Polytechnic State

University

Traducci

ón

: Byron Albuja, MBA ME

© 2007


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Objetivos

:

Cuando

termine deestudiar

esta unidad

,

estará

en

capacidad

de:• Definir la cantidad de calor en términos de caloria,

kilocaloria, joule, y Btu.

• Escribir y aplicar fórmulas para la capacidad

de calor específico y resolución en la

pérdida y ganacia de calor.

Escribir fórmulas para calcular los calores latentes de

fusión y de vaporización aplicarlas a la resolución de

problemas en los cuales el calor produce un cambio de

fase de una sustancia.


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Calor

definido

como

Energía

Calor no es algo que un objeto tiene, sino la

energía que cede o absorbe. El calor perdido por

las brasas calientes es igual al ganado por el agua.

Brasas

Calientes

Agua fríaEquilibrio Térmico


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Unidades

de

Calor

Una caloria (1 cal) es la cantidad de calor

necesaria para elevar la temperatura de un 1 g de

agua en 1 0C.

10 calorias de calor

elevarán la temperaturade 10 g de agua en 10 0C.

Ejemplo


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Unidades

de

Calor

(Cont.)

10 kilocalorias de calor

elevarán la temperatura de10 kg de agua en 10 0C.

Ejemplo

Una kilocaloria (1 kcal) es la cantidad decalor necesaria para elevar la

temperatura de 1 kg de agua en 1 0C.


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Unidades de Calor (Cont.)

10 Btu de calor elevarán la

temperatura de 10 lb deagua en 10 0F.

Ejemplo

Una Unidad Térmica Británica (1 Btu) esla cantidad de calor necesaria para elevar

la temperatura de 1 lb de agua en 1 F0.


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El Btu es una unidaddesactualizada

La Unidad Térmica Británica (1 Btu) estádesactualizada, pero desafortunadamente permanece

ampliamente usada. Si se la usa, se referirá a la

libra como unidad de masa, no peso.

1 lb (1/32) slug

Cuando trabajemos con el Btu,

debemos recorder que la libra-masa

no es una cantidad que dependa de la

gravedad --

una razón por la que el Btu

está desactualizado!

1 lb


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Unidades de Calor en el SI

Como el calor es energía, el joule es la unidad preferida. Entonces, energía mecánica y calor

se miden en la misma unidad fundamental.

1 cal = 4.186 J

Comparasión de Unidades de Calor :

1 kcal = 4186 J

1 Btu = 778 ft lb

1 Btu = 252 cal

1 Btu = 1055 J


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Temperatura y Cantidad de Calor

200 g

600 g

200C

200C

220C

300C

El efecto del calor en latemperatura depende de la

cantidad de materia

calentada.

La misma cantidad de calor es aplicada a cada masa de

agua en la figura.

El recipiente con másagua experimenta un

menor incremento de

temperatura.


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Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica de una sustancia es elcalor requerido para elevar su temperatura en

un grado.

Plomo Vidrio Al Cu Fe

Capacidad calorífica en función del tiempo para calentar

de cero to 1000C. Cuál tiene la mayor capacidad

calorífica?

37 s 52 s 60 s 83 s 90 s

1000C 1000C 1000C 1000C 1000C


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Capacidad Calorífica (Cont…


Las bolas de hierro y cobre funden la parafina y caen al

fondo; las otras tienen menor capacidad calorífica.

Todas colocadas a 1000C sobre una barra de

parafina



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Calor Específico

El calor específico de un material es lacantidad de calor necesaria para elevar un

grado la temperatura de una unidad de masa.

;Qc Q mc t

m t

Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K

Cobre: c = 0.094 cal/g C0 o 390 J/kg K


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Comparación de Unidades de Calor: Cuántocalor se necesita para elevar 1-kg de agua de00 to 1000C?

La masa de un kg de agua es:1 kg = 1000 g = 0.454 lbm

1 kg

Q mc t

Para el agua: c = 1.0 cal/g C0

o 1 Btu/lb F0 or 4186 J/kg K

1 lbm = 454 g

El calor requerido es:10,000 cal 10 kcal

39.7 Btu 41, 860 J


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Procedimiento para la Solución deProblemas

;Q

c Q mc t m t

Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K

1. Lea cuidadosamente el problema y dibuje un boceto.

2. Haga una lista de todas las cantidades dadas

3. Determine que debe ser encontrado.

4. Recuerde la ley o fórmula adecuada y constantes a aplicar.

5. Determine que debe encontrar.


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Ejemplo 1: Un taza de cobre para caféde 500-g se llena con 200-g de café.Cuánto calor se require para calentar lataza y el café de 20 a 960C?

1. Dibuje un boceto.

2. Escriba la información dada.

Masa taza mm = 0.500 kg

Masa café mc = 0.200 kg

Temperatura Inicial del café y la taza: t 0 = 200

CTemperatura final del café y la taza: t f = 96

0C

Calor Total para elevar la

temperatura del café (agua) y taza a 960

C.

3. Que va a encontrar :


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t = 960C - 200C= 76 C0

Agua: (0.20 kg)(4186 J/kgC0

)(76 C0

)Taza: (0.50 kg)(390 J/kgC0)(76 C0)

Q T = 63,600 J + 14,800 J QT = 78.4 kJ

7. Sustituya la info y resuelva el

problema:

Q T = m t c t t + m c c c t

Cobre: ct = 390 J/kg C0

Café (agua): cc = 4186 J/kg C0

Ejemplo 1(Cont.): Cuánto calor se necesitapara calendar la taza y el café de 20 a 960C?m t = 0.2 kg; m c = 0.5 kg.


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Acerca de las unidades

La sustitución de unidades debe ser consistente con losvalores escogidos del calor específico.

Q = m w c w t

Por ejemplo: Agua cc = 4186 J/kg C0 o 1 cal/g C0

Las unidades para Q, m, y t

deben ser consistentes conaquellas escogidas para c.

Si usa 4186 J/kg C0 para c,

entonces Q debe estar en joules, y m en kilograms.

Si usa 1 cal/g C0 para c,

entonces Q debe estar encalorias, y m es gramos.


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Conservación de la Energía

Siempre que se produzca una transferencia decalor dentro de un sistema, el calor perdido por

el cuerpo más caliente debe ser igual al calor

ganado por el cuerpo más frío:

Hierro

caliente

Agua

fría

Equilibrio Térmico

(Calor perdido) = (Calor Ganado)


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Ejemplo 2: Un puñado de cobrese calienta a 900C y se coloca en80 g de agua en un recipiente

aislado a 100

C. Si la temperaturade equilibrio es 180C, cuál es lamasa del cobre?

Cu 90

0

100

agua

Aislante

te= 180Cc

w

= 4186 J/kg C0; cs

= 390 J/kg C0

mw = 80 g; t w= 100C; t s = 90

0C

Calor perdido Cu = Calor Ganado agua

m sc s(900C - 180C) = m w c w (180C - 100C)

Nota: Las diferencias de Temperatura [Alta - Baja] siempre en

valores absolutos (+) pérdida y ganancia.


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2679 J0.0954 kg

28,080 J/kg

sm ms = 95.4 g

ms(390 J/kgC0)(72 C0) = (0.080 kg)(4186 J/kgC0)(8 C0)

m sc s(900C - 180C) = m w c w (18

0C - 100C)

900 Cu

100

agua

Aislante

180C

Calor perdido Cu = Calor Ganado agua

Ejemplo 2: (Cont.)

80 g de Agua

ms = ?


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Cambio de Fase

Sólido Líquido Gas

Q = mL f Q = mLv

fusión

Vaporización

Cuando un cambio de fase ocurre, existe

únicamente un cambio en la energía potencial delas moléculas. La temperatura es constante

durante el cambio.

Términos: Fusión, vaporización, condensación,

calor latente, evaporización, punto de

congelamiento, punto de fusion, ebullición.


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Cambio de Fase

El calor latente de fusión (Lf ) de una sustanciaes el calor por unidad de masa requerido para

cambiar del estado sólido al líquido a

temperatura de fusión.

El calor latente de vaporización (Lv) de una

sustancia es el calor por unidad de masa

requerido para cambiar la sustancia delíquido a vapor a temperatura de ebullición.

Para Agua: Lf = 80 cal/g = 333,000 J/kg

Para Agua: Lv = 540 cal/g = 2,256,000 J/kg

f

Q L

m

v

Q L

m


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Fusión de un Cubo de Cobre

El calor Q requirido para fundir unasustancia a su temperatura de fusion

puede ser encontrado si la masa y

calor latente de fusión se conocen

Q = mL v

2 kgQ para

fundir el

cobre?

L f = 134 kJ/kg

Ejemplo: Para fundir

completamente 2 kg de cobre a10400C, necesitamos:

Q = mL f = (2 kg)(134,000 J/kg) Q = 268 kJ


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Ejemplo 3: Cuánto calor se necesita paraconvertir 10 g de hielo a -200C a vapor a 1000C?

Primero, veamos gráficamente el proceso:

temperatura

t

Qhielo

Vapor

sólo

-200C

00C

1000C

vapor y

agua

540 cal/g

Hielo y

agua

80 cal/gagua

sólo

1 cal/gC0

hielo vapor

chielo= 0.5 cal/gC

0


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t

Q-200C

00C

1000C

Ejemplo 3 (Cont.): Paso dos Q2 convertir 10 gde hielo a 00C en agua a 00C.

Derretir Q2 derrite 10 g of hielo a 0

0C: Q2 = mL f

80 cal/gHielo y

agua

Q2 = (10 g)(80 cal/g) = 800 cal

Q2 = 800 cal

Añadir a Q1

= 100 cal:

900 cal usadas hasta este

punto.


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t

Q-200C

00C

1000C

agua

sólo

1 cal/gC0

Ejemplo 3 (Cont.): Paso tres Q3 para cambiar10 g de agua a 00C en agua a 1000C.

00C to 1000C

Q3 para elevar agua de 00C a 1000C.

Q3 = mc t ; c w = 1 cal/gC0

Q3

= (10 g)(1 cal/gC0)(1000C - 00C)

Q3 = 1000 cal

Total = Q1

+ Q2

+ Q3= 100 +900 + 1000

= 1900 cal


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Ejemplo 3 (Cont.): Paso cuatro Q4 convertir 10g de agua a vapor a 1000C? (Q 4 = mL v )

Q-200C

00C

1000C

vaporización

Q4 para convertir toda el agua a 1000C

en vapor a 1000C. (Q = mL v )

Q4

= (10 g)(540 cal/g) = 5400 cal

100 cal

hie

agua

sólo

hie y

agua

800 cal1000

cal vapor y

agua

5400 cal Calor Total :

7300 cal


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Ejemplo 4: Cuántos gramos de hielo a 00Cse deben mezclar con cuatro gramos de

vapor para producer agua a 600

C?El hielo debe derretirse y entonces elevarse a

600C. El vapor debe condensarse y caer to

600C.

Calor Total Gan = Calor Total Perdm i L f + m i c w t = m s L v + m s c w t

Nota: Todas las pérdidas y ganancias son valores absolutos

( positivos).Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC

0)(60 C0 - 00C )

Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(100 C0 - 600C )

Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC0)(60 C0)

Total Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(40 C0)

mi = ?

4 gte = 60

0C

hielo

vapor


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Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC0)(60 C0)

Total Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(40 C0)

mi = ?

4 g

te = 600C

80m i + 60m i = 2160 g +160 g

Calor Total Gan = Calor Total Perd

2320 g

140i

m m i = 16.6 g

Ejemplo 4 (Cont…)


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Ejemplo 5: Cincuenta gramosde hielo se mezclan con 200 g

de agua inicialmente a 700

C.Encuentre la temperatura deequilibrio de la mezcla.

El hielo se derrite y alcanza t e

El agua cae de 70 a t e.

Calor Gan: mi L f + micwt ; t = t e - 00C

Ganado = 4000 cal + (50 cal/g)t e

Gan = (50 g)(80 cal/g) + (50 g)(1 cal/gC0

)(te - 00

C )

00C 700C

t e = ?

50 g 200 g

hielo agua


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Ejemplo 5 (Cont.):

00C 700C

t e = ?

50 g 200 gGan = 4000 cal + (50 cal/g)t e

Pérd = (200 g)(1 cal/gC0)(700C- te )

Calor Pérd = m w c w t

Pérd = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e

t = 700C - t e [alta - baja]

Calor Ganado debe ser igual al Calor Pérdido:

4000 cal + (50 cal/g)t e = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e


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00C 700C

t e = ?

50 g 200 g

Simplificando, : (250 cal/C0) t e = 10,000 cal

0

0

10,000 cal40 C

250 cal/Cet

t e = 400C

Calor Ganado deber ser igual al Calor Perdido:

4000 cal + (50 cal/g)t e = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e

Ejemplo 5 (Cont.):


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Resumen Unidades de Calor

Una caloría (1 cal) es la cantidad de calorrequerida para elevar la temperature de 1 g deagua en 1 0C.

Una kilocaloria (1 kcal) es la cantidad de calorrequerida para elevar la temperature de 1 kgde agua en 1 0C.

Una Unidad Británica térmica (Btu) es lacantidad de calor requerida para elevar latemperature de 1 lb de agua agua en 1 0F.


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Resumen: Cambio de Fase

El calor latente de fusión (Lf ) de una sustanciaes el calor por unidad de masa requerido para

cambiar la sustancia de sólido a líquido a su

temperature de fusión.

Para Agua: Lf = 80 cal/g = 333,000 J/kg

f

Q L

m

El calor latente de vaporización (Lv) de una

sustancia es el calor por unidad de masa

requerido para cambiar la sustancia de líquidoa sólido a su temperatura de ebullición.

Para Agua: Lv = 540 cal/g = 2,256,000 J/kg

v

Q L

m


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Resumen: Capacidad EspecíficaCalorífica

La capacidad específica calorífica(calor específico) de un material esla cantidad de calor para elevar la

temperatura de una unidad de masaun grado.

;

Q

c Q mc t m t


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Resumen: Conservación deEnergía

Siempre que haya transferencia decalor dentro de un sistema, el calor

perdido por el cuerpo más calientedebe ser igual al calor ganado por elcuerpo más frío:

(Calor Perdido) = (Calor Ganado)


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Resumen de Fórmulas:

;Q

c Q mc t m t

(Calor Perdido) = (Calor Ganado)

;v v

Q L Q mL

m

; f f

Q L Q mL

m


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FINAL:

Cantidad de Calor

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