CALORIMETRÍA

UNIDAD III

INTRODUCCIÓN:

En la vida diaria, frecuentemente se confunden los términos calor y temperatura, ya que nuestros sentidos son afectados por factores externos. Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frío según la capacidad del cuerpo para conducir calor, porque lo que nuestro cuerpo detecta son las pérdidas o ganancias de calor de nuestro mismo cuerpo. Si sentimos que está muy frío es porque nuestro cuerpo le transmite mucho calor.

Cuando se suministra calor a un cuerpo, éste se dilata, pues se ge-nera un movimiento desordenado de sus moléculas y la energía ciné-tica de estas genera un aumento de temperatura en el mismo. Si dejamos un líquido recién calenta-do a la temperatura ambiente notamos que después de un tiempo se enfría, y lo observamos como algo usual, pero lo que sucedió fue que se transfirió al medio ambiente el calor que contenía, hasta que igualó su temperatura a la de éste.

TEMPERATURA Y SUS ESCALAS La temperatura es una magnitud referida a las nociones

comunes de caliente o frío, el objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor.

Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía in-terna de un sistema termodinámico, es decir, con la parte de la ener-gía interna conocida como "energía sensible", que es la energía aso-ciada a los movimientos de las partículas del sistema. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más "caliente" y su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido.

Para un gas ideal monoatómico se trata de los mo- vimientos traslacionales de sus partículas, para los multiatómicos los movimientos rotacional y vibracio nal deben tomarse en cuenta también.

Al percibir con nuestros sentidos (tacto) lo “frío” o “caliente” de un cuerpo, podemos equivocarnos, ya que nuestra percepción de lo “caliente” de un cuerpo dependerá de lo “caliente” que esté nuestro propio cuerpo.

Nuestro cuerpo no puede determinar con nuestros sentidos la temperatura exacta de un cuerpo, ni determinar la diferencia de temperatura de un cuerpo con respecto a otro, para eso se ha desarrollado un aparato de medición llamado termómetro.

Hacia 1592 apareció el primer termoscopio atribuido a Galileo Galilei, pero como carecía de una escala que permitiera cuantificar las variaciones de temperatura, sólo se obtenía datos cualitativos.

La idea de proveer al termoscopio de una escala de tempe-ratura y convertirlo así en un termómetro se atribuye a Sanc-torius Sanctorius en 1611.

TERMÓMETRO

Su funcionamiento se basa en el hecho de que dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se iguala, es decir, cuando se alcanza el equilibrio térmico.

Cuando introducimos un termómetro de mer-curio en un frasco con agua, llega un momento en el que el mercurio del termómetro y el agua del frasco alcanzan el equilibrio térmico, y la temperatura del agua es la misma que la que indica la escala del termómetro, que ha sido previamente calibrado, el mercurio al ir incre-mentando su temperatura se dilata (aumenta su volumen) dentro del tubo de vidrio que lo contiene hasta que iguala su temperatura a la del agua del frasco y no se dilata más.

ESCALAS DE TEMPERATURA

Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas ó habituales y las absolutas.

Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las escalas relativas ó habituales tienen otras formas de definirse.

Escalas Absolutas

KelvinK

RankineR ó Ra

Escalas Relativas

Grado Celsius

°C

Grado Fahrenheit

°F

ESCALAS RELATIVAS Ó HABITUALES:

Estas escalas de temperatura basan su rango de medición en la temperatura de fusión del hielo ó

de la mezcla hielo agua y el vapor de agua o agua en ebullición.

Grado Celsius (°C) . Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla hielo-agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm, está en el punto de fusión (0 °C), mientras una mezcla de agua-vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición (100°C). Este rango o diferencia de temperaturas (100°C) la dividió en 100 partes a las que denominó grado de ahí que a esta escala también se le conozca como centígrada.

Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una solución de cloruro de amonio (0°F) y la temperatura normal corporal humana (98.6°F) y entre ambas marca 96 divisiones iguales, después midió hielo en fusión y vio que se registraba la temperatura 32°F y al colocar su termómetro en agua hirviendo registraba 212°F, consideró este último rango de temperatura (212°F-32°F = 180°F) para establecer su escala. La escala Fahrenheit es comúnmente usada en Estados Unidos.

La relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius (180:100) está dada por las siguientes fórmulas:

328.1 CF

8.1/)32( FC

ESCALAS ABSOLUTAS:

Estas escalas de temperatura basan su rango de medición en el cero absoluto, temperatura

teóretica, temperatura en la cual todo movimiento molecular se para y no se puede

detectar ninguna energía (Ec.)

Escala Kelvin (K). Inventada por el inglés William Kelvin, escala en la que el 0 corresponde al llamado cero absoluto y que al igual que en la escala Celsius se hace una división en 100 partes iguales, define la magnitud de sus unidades de tal forma que el punto triple del agua es exactamente 273.15 K, así la temperatura del hielo en fusión que en la escala Celsius es de 0°C en la escala Kelvin es de 273 K. El Kelvin es la unidad de medida de la temperatura en el SI.

Escala Rankine (R ó Ra). Propuesta por el escocés Guillermo Juan M. Trankine en 1859, es la otra escala termodinámica absoluta de temperatura, el cero de esta escala coincide con el cero de la escala Kelvin. En las relaciones termodinámicas las valores de temperatura siempre se presentaran en cualquiera de estas dos escalas. Un grado de la misma dimensión que el empleado en la escala Rankine de temperatura es el que se utiliza en la escala Fahrenheit , pero el punto cero de esta escala (R) corresponde a-459.67°F. La relación matemática entre las diferentes escalas de

temperatura y la Rankine es:KR 8.115.2738.1/ CR

67.459 FR

FORMULAS:

Kelvin Grado Celsius Grado Fahrenheit

Grado Rankine

KelvinK = K K =° C + 273.15

(°F + 459.67)

K = ----------------------

--- 1.8

RK = -------------

1.8

Grado Celsius

°C = K − 273.15

°C = °C

(°F - 32)°C =

--------------------- 1.8

R – 491.67°C =

----------------------

1.8

Grado Fahrenheit

°F =1.8 K- 459.67 °F =1.8° C + 32 °F = °F °F = R – 459.67

Grado Rankine R =1.8 K R =1.8 (°C +

273.15) R =° F + 459.67 R = R

TRANSFERENCIA DE CALOR La energía mecánica es la que se intercambia cuando se

realiza tra-bajo. Sin embargo, existen otros intercambios de energía que no se pueden cuantificar por medio del trabajo.

El intercambio de energía térmica o calorífica se cuantifica por el ca-lor, y este, por las variaciones de temperatura y se manifiesta cuando es transferida de un cuerpo caliente a otro frío. El trabajo y el calor son procesos mediante los cuales se

intercambia energía. Energía, trabajo y calor se miden en las mismas unidades.

Transferencia de calor, es el proceso por el que se intercambia ener-gía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes par-tes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

TRANSFERENCIA DE CALOR P/CONDUCCION

La transferencia de calor por conducción se lleva a cabo a través del contacto directo entre dos materiales ó sustancias: “si calientas una olla con agua al fuego, la llama transmite calor al metal de la olla, y el agua y la olla acaban calentándose del todo, aunque solo la base de la olla es la que esta en contacto con el fuego”.

En la conducción, las partículas que están a más temperatura tienen también más energía cinética y ceden parte de esta energía a las partículas que les rodean y que están a menos temperatura, sin que se alteren las posiciones relativas de ninguna de estas; así se va propagando la energía térmica por todo el solido.

Es la única forma de transferencia de calor entre sólidos.

Según su comportamiento ante la fuente de calor, los materiales se clasifican en aislantes y conductores térmicos. Los materiales aislantes, como por ejemplo, el corcho y la madera son malos conductores térmicos, por el hecho de que tienen en la estructura bolsas de aire que dificultan la transmisión del calor. Los metales, la cerámica, y el vidrio, entre otros, son buenos conductores térmicos.

Buenos conductores Malos conductores (aislantes)

Cobre Corcho Aire

Plata Agua Vacío

Acero Madera Fibra de Vidrio

Aluminio Baquelita Lana

TANSFERENCIA DE CALOR P/CONVECCIÓN

Cuando se pone a calentar un recipiente con agua, esta comienza a calentarse por la parte inferior y se dilata, con lo que disminuye su densidad. El agua caliente, asciende y transporta, así, calor de la parte inferior a la superior. El agua de la parte superior, que esta mas fría, es más densa, por eso desciende. Abajo se calienta y vuelve a subir. Este proceso genera el movimiento del fluido.

 El proceso por el cual se transmite calor a través de un fluido por el movimiento del mismo fluido se denomina convección.

El movimiento del fluido puede ser natural o forzado.

Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos, por ejemplo si utilizamos un agitador mecánico o manual para “revolver” el liquido dentro de un recipiente que se está calentando y provocamos una turbulencia dentro del recipiente.

En la CONVECCIÓN NATURAL tiene lugar un movimiento real de la materia a causa de la diferencia de densidad existente entre el fluido que esta a mas temperatura (menos denso) y el que esta a menos temperatura (mas denso). Estas corrientes de fluidos se llaman corrientes de convección. 

Corrientes de convección. Las brisas marinas son corrientes de convección provocadas por la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra.

Durante el día, la tierra se calien- ta mas deprisa que el mar, por lo cual la temperatura es más alta en la tierra. El aire que esta so- bre la tierra, se calienta y ascien- de, el vacío que deja es substitui- do por el aire menos caliente pro cedente de la mar. De esta mane ra se produce la brisa marina.

Cuando se pone el Sol, la tierra se enfría antes. En consecuencia, el aire que esta encima del mar esta mas caliente, por lo que asciende, y ahora, el aire frío situado encima de la tierra el que se desplaza hasta ocupar el lugar del aire caliente. Por ello se produce una brisa que se dirige desde la tierra hacia el mar.Los sistemas de calefacción y ventilación usados en las oficinas se basan en el fenómeno de las corrientes de convección.

La convección natural también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

TRANSFERENCIA DE CALOR P/RADIACIÓN La radiación presenta una diferencia fundamental

respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de

la radiación pueden des cribirse mediante la teo ría de ondas, pero la úni ca explicación general satisfactoria de la radia- ción electromagnética es la teoría cuántica.

El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda.

En un invernadero, la energía radiante del Sol (máxima en las longitudes de onda visibles), se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior. Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. .

Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de

calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del

hielo o la ebullición del agua y cambios en la dimensión de los

cuerpos, debido a que generalmente, cuando un cuerpo se calienta

aumenta su volumen (dilatación) y al enfriarse se contrae, por lo que ahora estudiaremos que es la DILATACIÓN

DILATACIÓN:

La acción de las fuerzas eléctricas provoca la unión de los átomos de un sólido.

A cualquier temperatura los átomos oscilan con cierta perio-dicidad y amplitud. Cuando la temperatura aumenta, la am-plitud de la vibración atómica aumenta, teniendo un cambio que modifica todas las dimensiones del sólido.

Los gases se dilatan mayormente que los líquidos.

Las partículas de los gases y líquidos colisionan unas con otras de forma perpetua; pero si se calientan, colisionarán impulsivamente, rebotando a mayor distancia e induciendo la dilatación, Por otro lado las partículas de los sólidos vibran alrededor de posiciones fijas y al calentarse incrementan su movimiento y se distancian de sus centros de vibración, dando como resultado la dilatación. Sin embargo al descender la temperatura disminuye la vibración de las partículas y el sólido se contrae.

Existen tres tipos de dilatación: dilatación lineal, volumétrica y superficial.