Calorimetría

Termodinámica. Calor. Energía. Temperatura. Térmometros. Celsius. Kelvin. Fahrenheit. Conducción. Convección. Radiación. Fusión. Vaporización. Dilatación

  • Enviado por: Isabel Franco
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 10 páginas
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EL CALOR

TEMPERATURA :

Para estudiar los fenómenos que llamamos térmicos o caloríficos es necesario definir una magnitud fundamental : la temperatura.

Es una medida de la Energía Cinética media de sus partículas, de forma que un cuerpo está a mayor o menor temperatura que otro si la Energía Cinética media de sus partículas es mayor

La medida de la temperatura se realiza mediante la manifestación externa de una propiedad de un cuerpo que registra un termómetro.

TERMÓMETROS :

Son aparatos utilizados para medir la temperatura de los cuerpos

Se caracterizan por :

  • Alcanzar rápidamente la misma temperatura que el cuerpo con el que se pone en contacto

  • Medir la temperatura de una forma indirecta, es decir mide una propiedad física relacionada con la temperatura, la cuál se caracteriza por presentar siempre el mismo valor a una temperatura dada y por experimentar las mismas variaciones para los mismos cambios de temperatura

  • ESCALAS DE TEMPERATURAS :

    Todas las escalas termométricas atribuyen un valor arbitrario a ciertos puntos fijos, dividiendo las escalas en un número de divisiones iguales.

    Las Escalas Termométricas son :

    • Escala Celsius

    Asigna como valores fijos el 0 ºC (punto de fusión del agua) y el 100 ºC

    (punto de ebullición del agua).

    El intervalo 0 - 100 lo divide en 100 partes iguales

    • Escala Kelvin

    Asigna como valores fijos el 0 ºK (Cero Absoluto) y el 273 ºK

    (punto de fusión del agua).

    Las divisiones son iguales que en la escala Celsius

    La relación con la escala Celsius es :

    T = t c + 273

    Cero Absoluto :

    Es la temperatura a la cuál cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la mínima

    temperatura que puede alcanzar un cuerpo

    • Escala Fahrenheit :

    Asigna como valores fijos el 32 ºF (punto de fusión del agua) y el

    212 ºF (punto de ebullición del agua).

    El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales

    La relación con la escala Celsius es :

    t c t F - 32

    ------ = -----------

    • 9

    Punto Ebullición agua ......... 100 ºC 373 ºK 212 ºF

    100 divisiones 100 divisiones 180 divisiones

    Punto Fusión agua .............. 0 ºC 273 ºK 32 ºF

    Cero Absoluto .............. - 273 ºC 0 ºK - 460 ºF

    Celsius Kelvin Fahrenheit

    Ejemplo 1º :

    92 º F ¿A cuántos grados Celsius corresponden? ¿Y Fahrenheit?

    t c 92 - 32

    ----- = ------------ : . t c = 33'33 ºC

    5 9

    ºK = 33'33 + 273 = 306'33 ºK

    Ejemplo 2º :

    37 º C ¿A cuántos grados Kelvin corresponden? ¿Y Fahrenheit?

    37 t F - 32

    ----- = ------------ : . t F = 98'6 ºF

    5 9

    ºK = 37 + 273 = 310 ºK

    CALOR :

    El calor es una forma de Energía transferida

    El Principio cero de la termodinámica dice : “Cuando se ponen en contacto dos sistemas a distintas temperaturas el sistema evoluciona hasta alcanzar el equilibrio térmico”. Esta evolución implica una transformación de energía.

    Definimos calor como una energía en tránsito entre dos cuerpos a distintas temperaturas.

    Por ser una energía, sus unidades de medida son las de ésta. La unidad en el S.I. es el Julio; sin embargo es muy habitual emplear la caloría o la kilocaloría (1 caloría = 4'18 Julios)

    FORMAS DE TRANSFORMACIÓN DE CALOR :

    • Conducción :

    Es la transferencia de calor que tiene lugar por transmisión de Energía de unas

    partículas a otras, sin desplazamiento de éstas

    Es típica en los sólidos.

    Por ejemplo, si sujetamos una barra de hierro por un extremo y el otro lo

    exponemos a la llama, al momento notaremos que nos llega el calor a nuestra

    mano

    • Convección :

    Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el movimiento de las

    partículas de un fluido. El transporte es efectuado por moléculas de aire

    Es típica de líquidos y gases.

    Por ejemplo, si ponemos la mano cercana a una vela encendida notaremos su

    calor, debido a que el aire que rodea la vela pierde densidad y asciende siendo

    reemplazado por aire frío que desciende

    • Radiación :

    Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas sin intervención

    de partículas que lo transporte.

    Por ejemplo el calor que nos llega del Sol

    EFECTOS DEL CALOR :

    1º.- Aumento de la Temperatura

    2º.- Cambios de Estado

    3º.- Dilatación de los cuerpos

    1º.- AUMENTO DE LA TEMPERATURA :

    La cantidad de calor (cedido o absorbido) por un

    cuerpo depende del incremento de la temperatura, de su masa y de su propia naturaleza

    La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud física llamada “Calor Específico”

    La formula que nos relaciona el Calor cedido o absorbido con los tres factores citados es :

    Q = m · c ·  t = m · c · (t f - t 0)

    Q ........ Calor => Si m se mide en gramos, Q vendrá dado en calorías

    Si m se mide en Kilogramos, Q vendrá dado en Kilocalorías (Kcal)

    c ........ Calor específico

    t f ........ Temperatura final

    t 0 ......... Temperatura inicial

    Definiciones :

    • Calor específico (c) :

    Es el calor que debe recibir 1 kilo de una sustancia para que aumente su

    temperatura 1 ºC. Se mide en cal/gr ºC

    • Capacidad Calorífica (C) :

    Es el calor que debe recibir una sustancia para que aumente su

    temperatura 1 ºC. Se mide en cal/ ºC

    • Caloría :

    Es la cantidad de calor que debe de recibir 1 gramo de agua para que su temperatura

    aumente 1º C

    Equilibrio Térmico :

    En un proceso de mezcla de dos cuerpos a distinta temperatura, la cantidad de calor cedida por el cuerpo caliente será igual a la cantidad de calor absorbida por el cuerpo frío

    hasta alcanzar el equilibrio térmico :

    Q cedido = Q absorbido

    Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1

    Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2

    Sea t m la temperatura final de equilibrio :

    Como Q cedido = Q absorbido ==> m 1 · c 1 · (t 1 - t m) = m 2 · c 2 · (t m - t 2)

    2º.- CAMBIOS DE ESTADO :

    a) Fusión :

    Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de sólido a líquido.

    El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la

    solidificación.

    Se llama “Punto de fusión” a la temperatura en la que se produce la fusión (en el

    agua pura el punto de fusión es de 0 ºC). Mientras se produce el cambio de

    estado, el punto de fusión es constante.

    Se llama “calor latente de fusión” fusión a la cantidad de calor por unidad de

    masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para

    convertirla completamente en líquido

    Se formula mediante la expresión :

    Q = m ·  f

    El calor de fusión solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la

    temperatura

    b) Vaporización :

    Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de líquido a

    gas.

    El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por

    éste en la condensación.

    Se llama “Punto de ebullición” a la temperatura en la que se produce la ebullición

    (en el agua pura es de 100 ºC). Mientras se produce el cambio de estado, el punto

    de ebullición es constante.

    Se llama “calor latente de vaporización” vaporización a la cantidad de calor por

    unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de

    ebullición para convertirla completamente en gas

    Q = m ·  v

    El calor de vaporización solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la

    Temperatura.

    Podríamos decir que el calor latente es la cantidad de calor necesaria para cambiar

    de estado a temperatura constante.

    Los calores latentes se miden en J/Kg o bien en cal/gr.

    3º.- DILATACIÓN :

    Al fenómeno por el que los cuerpos experimentan una variación de volumen

    al modificar su temperatura, se le llama dilatación.

    La variación de volumen de un sólido o un líquido depende de su naturaleza, generalmente la

    dilatación en los gases es mayor que en los líquidos y en éstos es mayor que en los sólidos

    • Dilatación de los sólidos :

    En las construcciones de puentes, viaductos, edificios, .....

    existen unas pequeñas separaciones, llamadas juntas de dilatación, las cuales se construyen en

    previsión de la dilatación de los cuerpos, evitando con ello la deformación o rotura de la

    estructura

    Tipos de dilatación de los sólidos :

  • Dilatación Lineal :

  • Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es

    mucho mayor que en las otras dos (varillas, raíles, vigas....). Obras de arquitectura e

    ingeniería pueden sufrir deformaciones peligrosas si no se tiene en cuenta la dilatación, para

    evitarlo, es por lo que se dejan en los edificios las llamadas juntas de dilatación (huecos de

    separación intercalados perpendicularmente en la obra).

    Para estudiar la dilatación lineal hay que definir una propiedad de la materia, llamada

    coeficiente de dilatación lineal () :

    Es el aumento que experimenta cada unidad de

    longitud de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

    L 0 L 0 : Longitud inicial

    L = L 0 · (1 +   t) L : Longitud dilatada

    L  t : Incremento de temperatura

  • Dilatación Superficial :

  • Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus

    dimensiones es mucho menor que las otras dos (chapas, láminas, espejos...)

    Para estudiar la dilatación superficial hay que definir una propiedad de la materia, llamada

    coeficiente de dilatación superficial () :

    Es el aumento que experimenta cada unidad de

    superficie de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

    S 0 : Superf. inicial

    S0 (Superficie Inicial) S = S0 · (1 +  t) S : Superf. dilatada

    S (Superficie Final)  t : diferencia de tª

    Se cumple además que  = 2 

  • Dilatación Cúbica :

  • Se contempla en aquellos cuerpos en los que las tres dimensiones son

    parecidas.

    Para estudiar la dilatación cúbica hay que definir una propiedad de la materia, llamada

    coeficiente de dilatación cúbica () : Es el aumento que experimenta cada unidad de

    volumen de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

    V 0 : Volumen inicial

    V = V0 · (1 +  t) V : Volumen dilatado

    t : incremento de temperatura

    Se cumple además que  = 3 

    • Dilatación de los líquidos :

    Es semejante a la dilatación cúbica de los sólidos.

    Cada líquido presenta un coeficiente de dilatación cúbica (k) característico, por lo que están

    tabulados

    Su expresión es : V = V 0 (1 + k t)

    • Dilatación de los gases :

    Su estudio se realiza a presión constante.

    Todos los gases experimentan el mismo incremento de volumen con un mismo incremento de

    temperatura

    El coeficiente de dilatación, ( p), de los gases es el mismo para todos, siendo su valor :

    1

     p = ------

    273

    El valor del volumen final de un gas que ha experimentado un incremento de temperatura, se

    calcula a partir de la expresión :

    V = V 0 · (1 + p  t)

    TERMODINÁMICA

    Es la parte de la Física que estudia los cambios de Energía que se producen en los procesos físicos y químicos.

    Presta especial atención a la transformación de Trabajo en Calor y viceversa.

    CALOR Y TRABAJO :

    El primero que realizó una

    experiencia demostrativa de que el calor era una forma de

    energía fue J.P. Joule. Dispuso una cubeta de agua con unas

    palas rotatorias unidas a un peso a través de una polea.

    El peso descendía a consecuencia de la gravedad, provocando

    el giro de las paletas y con ello un aumento de la temperatura

    del agua.

    En consecuencia, la producción de un trabajo podía producir

    calor, por lo que se demostraba la equivalencia entre calor y

    trabajo como dos manifestaciones distintas de energía

    El calor y el trabajo son energía en tránsito

    Si el tránsito se debe a una diferencia de temperaturas

    se llama Calor; si el tránsito se debe al desplazamiento

    por acción de una fuerza se llama Trabajo.

    • Equivalente mecánico del Calor :

    Joule comprobó que siempre se necesitan 4'18 Julios de

    Trabajo para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 ºC. Es decir 4'18 Julios de Energía

    mecánica equivalen a 1 caloría de Energía térmica. Este resultado se conoce como Equivalente

    Mecánico del Calor

    1 julio = 0'24 calorías 1 caloría = 4'18 julios

    PRIMER PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :

    Supongamos un émbolo con un gas en su interior y le comunicamos calor (Q). Dicho calor hará que al cabo de un tiempo se expanda el émbolo

    En definitiva :

    Si comunicamos calor (Q) a un sistema aislado, dicho calor se convierte en aumentar la Energía

    Interna (U) del sistema y en la producción de Trabajo (W) para la expansión.

    Esto se expresa en el Primer Principio de la Termodinámica :

     Q =  U +  W

    • ¿Qué es la Energía Interna? :

    Es la suma de todas las energías que pueda tener el sistema, es

    decir, suma de las Energías : Potencial, Cinética, de Vibración, de Rotación, de Enlace y

    Térmica de todas las moléculas que integran el sistema.

    Es una Función de Estado, es decir su valor solo depende de sus estados inicial y final

    Q (positivo) W (negativo)

    Criterio general de signos :

    El Trabajo realizado por el sistema es Positivo (Q +)

    El Trabajo realizado por el ambiente es Negativo

    El calor cedido por el sistema es Negativo

    El calor absorbido por el sistema es Positivo

    Q (negativo) W (positivo)

    SEGUNDO PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :

    Conocido como “El Principio de la degradación de la Energía”

    Es mucho más fácil transformar trabajo en calor que al revés (por ejemplo, cuando frenamos un coche, la energía cinética del coche se convierte en calor en las pastillas del freno. Pero no podemos utilizar el calor de las pastillas del freno para producir energía cinética y hacer andar el coche).

    Esto hace pensar que el calor es una energía de menor calidad, menos útil, degradada

    Fue el ingeniero francés S. Carnot el que llegó a establecer el segundo Principio de Termodinámica

    “No puede existir ninguna máquina térmica capaz de transformar íntegramente todo el calor absorbido en energía mecánica”

    Foco caliente

    Las máquinas térmicas funcionan entre dos focos caloríficos a diferente Q 1

    temperatura. Parte del calor que cede el foco caliente se transforma en

    trabajo y el resto es captado por el foco frío.

    Se llama Rendimiento de una máquina térmica al cociente entre el

    trabajo y la cantidad de calor cedido por el foco caliente : W = Q1 - Q2

    W W

     = ------  en % = ----- · 100 Q 2 Foco frío

    Q1 Q1

    Las máquinas térmicas más importantes son : La máquina de vapor, la turbina de vapor y el motor de explosión

    FUENTES DE ENERGÍA :

    Las fuentes de energía se clasifican en renovables o no renovables.

    Son energías renovables las que llegan de forma continua a la superficie terrestre y son inagotables :

    Son energías no renovables aquellas que se encuentran en cantidades limitadas y van disminuyendo sus reservas continuamente : carbón, petróleo, gas natural, energía nuclear y energía geotérmica.

    Las energías alternativas (nuevas fuentes de energía), se encuentran en fase de estudio, su producción mundial es todavía escasa. Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz, geotérmica y biomasa.

    • Solar : Llega a la Tierra en forma de radiación, procedente del Sol. Se usa para calefacción de edificios y producción de energía eléctrica

    • Eólica : Es energía producida por el viento. Es importante en aquellas zonas sometidas a fuertes vientos constantes

    • Maremotriz : Aprovecha la energía procedente de las olas y de las mareas. Tiene el inconveniente que para aprovecharla necesita complicadas y costosas instalaciones.

    • Geotérmica : Aprovecha la energía que procede de las profundidades terrestres (géiseres, aguas

    termales, fumarolas....)

    • Biomasa : Es la que se obtiene de los restos orgánicos, que por acción de microorganismos se van transformando (química o biológicamente). Además de su aprovechamiento energético, permite la eliminación de residuos.

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