Capitulo 2: CALOR

2.1 Calor y Energía

Todavía describimos muchos cambios comunes de temperatura como la transferencia de algo de un cuerpo que esta a temperatura mayor a otro que está a temperatura menor, a ese algo llamamos calor.

Calor es aquella cantidad que se transfiere entre un sistema y un medio ambiente en virtud solamente de su diferencia de temperatura.

Los trabajos de del conde Rumford (1735 - 1814) y de James Prescott Joule (1818 - 1889) establecieron que el flujo de calor es una transferencia de energía. Una transferencia de energía que se produce exclusivamente en virtud de una diferencia de temperatura se denomina FLUJO CALORIFICO.

Fue Joule quien demostró experimentalmente que cuando una cantidad dada de energía mecánica se convertía en calor siempre se genera la misma cantidad de calor, así se demostró la equivalencia entre calor y el trabajo mecánico.

Un flujo de calor es una transferencia de energía producida por una diferencia de temperatura.

Cantidad de calor únicamente tiene significado en el contexto de una interacción en la que se transfiere energía de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura.

Unidad de CANTIDAD DE CALOR = Caloría = cantidad de calor necesaria para elevar un KELVIN (o un grado CELCIUS) la temperatura de un gramo de agua.

Se vio que se necesitaba más calor para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 90°C a 91°C que desde 30°C a 31°C esto hizo que se adopte lo que se conoce como la caloría se 15°C. Cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de un gramo de agua desde 14.5°C a 15.5°C.

La unidad de calor en unidades Británicas (Inglesas) es la Unidad Térmica Británica (BTU). 1 BTU es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua desde 63 F a 64 F

1BTU = 252 cal = 0.252 Kcal; 1Kcal = 1000 cal = 3.968 BTU

Unidad de Energía Mecánica: 1Joule1 cal = 0.001 Kcal = 4.186 J; 1 BTU = 778 lb-pie

Se recomienda usar el Joule para expresar tanto el calor como las demás formas de energía.

2.2 CAPACIDAD CALORIFICA Y CALOR ESPECÍFICOLa velocidad del calor Q proporcionado a un cuerpo y el aumento

correspondiente de su temperatura se llama CAPACIDAD CALORIFICA C del cuerpo es decir:

C Capacidad CaloríficaQ

T

Cal

C

Kcal

C

BTU

F , ,

Significa la energía que debe suministrarse en forma de calor para aumentar en un grado la temperatura del cuerpo.

La Capacidad Calorífica por unidad de masa de un cuerpo, llamado Calor Especifico es característica del material del cual está compuesto el cuerpo.

cCapacidad Calorífica

Masa

Q

m T

C

m

Cal

gr C

Kcal

Kg C

BTU

lb F , ,

Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que se necesita para producir, en una masa dada, un determinado aumento de temperatura.

2.2.1 Variación del calor especifico con la Temperatura

La Capacidad Calorífica y el Calor Específico de un material dependen de la ubicación del intervalo de temperatura escogido.

c f t ( )

Si T 0 cm

dQ

dTdQ c m dT

1

Q m cdtt

t

1

2

Se puede considerar que los calores específicos son constantes a las temperaturas ordinarias y en los intervalos de temperaturas comunes.

Calor Específico 1.008(Cal/gr0C)

1.004

1.000

0.996 0 20 40 60 80 100 T (0C)

Además de la temperatura, depende de la forma en que se controla o limite el sistema durante la transferencia de calor. Por ejemplo a P=cte. o a V=cte.

Valores de Cp para algunos sólidos (a la temperatura ambiente y con p=1atm.)

Hielo 0.48 cal/gr°C/2J/gr°CAgua 1.00 cal/gr°C/2J/gr°C

1 1 1Cal

gr C

Kcal

Kg C

BTU

lb F

CCal

gr C

J

gr C

J

Kg CH O2

1419 4190

.

2.2.2 Medida de calores específicosCALORIMETRO DE AGUA = Usa el método de las mezclas.

T1= Temperatura inicial del H2O y del Calorímetro.T2= Temperatura final del sistema.TS= Temperatura inicial de la muestra.

Calor liberado por la muestra = Calor absorbido por el H2O + Calor absorbido por Calorímetro.

Sustancia C (cal/gr.0C)

C (J/gr.0C)

Peso Molecular (gr./mol)

Intervalo de Temperatura

AluminioCarbonoCobrePlomoPlataWolframioBelirioHierroMercurio

0.2150.1210.09230.03050.05640.03210.4700.1130.033

0.900.5070.3860.1280.2360.134

271263.5207108184

(20-100)(18-100)(20-100)

m C Ts

T m C T T m C T TS S H O H O C C

( ) ( ) ( ) 2

2 22 1 2 1

Calor Perdido = Calor Ganado

2.3 Cambios de fase.

Fase: materia existente en sólido, líquido y gaseoso.

H O

Fase sólida Hielo

Fase líquida Agua

Fase gaseosa Vapor2

:

:

:

Suponiendo que las sustancias no se descomponen a altas temperaturas, éstas pueden existir en cualquier de las tres fases bajo condiciones apropiadas de Presión y Temperatura.

Las transiciones de una fase a otra van acompañadas de absorción o liberación de calor, de V incluso cuando la transición tiene lugar a temperatura constante. La temperatura a la que tiene lugar un cambio de fase depende de la presión.

t = 2 5 °C

t = 2 5 °C

t = 25 °C t = 2 5°C

+ 1 0 0

+ 7 5

+ 5 0

+ 2 5

0

-2 5

T (° C )

a

b c

d e

f

T ie m p o V a p o r

H i H i + H 2 O H 2 O H 2 O + V a p

A G U A

H IE L O

V A P O RP = 1 a tm .

Se toma hielo triturado de un frigider a 25°C.

Sustancia °K °C Calor de Fus.(Cal/gr.)

°K °C Calor de Vap. (cal/gr)

HelioHidrógenoNitrógenoOxígenoAlcohol EtílicoMercurioAgua

3.513.8463.1854.36159234

273.15

-269.65-259.31-209.97-218.79

-114-390

1.2514

6.093.3024.902.8279.7

4.21620.2677.3490.18351630

373.15

-268.93-252.89-195.81-182.97

78357

100.0

5108485120465539

AzufrePlomoAntimonio

392600.5903.65

119327.3

630..50

9.15.8639.4

717.7520231713

444.6017501440

78208134

T = 0°C. Se observa algo de temperatura en el recipiente, la temperatura será 0°C hasta que se funda todo el hielo, luego la temperatura comienza a elevarse de nuevo constante. (cd)

T = 100°C. Comienza a escapar de la superficie burbujas de vapor (hervir), será 100°C hasta que desaparece toda el agua.

Para otras sustancias se obtiene el mismo tipo de curva. Existen varios comportamientos de las sustancias (ablandamiento, descomposición, etc.)

Calor de Fusión: Cantidad de calor a suministrarse para convertir la sustancia completamente a líquido.

Calor de Vaporización: Cantidad de calor a suministrarse para convertir la sustancia completamente a vapor.

Se expresa en unidades de energía por unidades de masa.

También se les conoce como Calor Latente.

La expresión general Calor de Transformación se aplica tanto al calor de fusión como el de vaporización (L).L = representa el calor absorbido o liberado en el cambio de fase por unidad de masa:

2.4 EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

El calor y el trabajo son formas de la energía y que debe existir una relación definida entre ellas llamada EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR.En 1850 James Joule determinó experimentalmente esta equivalencia.

La caída de los cuerpos hace girar un conjunto de aspas en el interior de un recipiente aislado que contiene H2O. La caída de los cuerpos contribuye con una cantidad conocida de trabajo efectuado sobre el agua cuya masa es m provocando un aumento T en su temperatura.

Unidad de Energía Mecánica: 1Joule1 cal = 0.001 Kcal = 4.186 J; 1 BTU = 778 lb-pie

Se recomienda usar el Joule para expresar tanto el calor como las demás formas de energía.