Las partículas de los cuerpos
no están en reposo, sino que se encuentran en constante agitación. Como
consecuencia de esta agitación, los cuerpos poseen una determinada energía
térmica. La temperatura es un indicador de la energía térmica que tienen los
cuerpos. De modo general podemos decir que, a mayor temperatura, mayor energía
de este tipo. Pues bien, los cuerpos y los sistemas pueden intercambiar energía
térmica. A esta energía térmica intercambiada se le denomina calor. En
ocasiones también se denomina calor al propio proceso de transferencia de
energía.
El calor es la energía
intercambiada entre un cuerpo y su entorno por el hecho de encontrarse a
distinta temperatura. El calor, como el trabajo, es energía en tránsito, por lo
que se puede entender también como un método para transferir energía.
Capacidad calorífica
Cuando colocas aceite en
una sartén y enciendes el fuego, el aceite comenzará a aumentar su temperatura.
En general, cuando suministramos calor a un cuerpo este puede aumentar su
temperatura.
La capacidad calorífica
de un cuerpo es la relación que hay entre el calor suministrado al cuerpo y su
incremento de temperatura.
Puedes entender la
capacidad calorífica como la dificultad con que un cuerpo aumenta su
temperatura cuando le suministramos una determinada cantidad de calor. Así, a
mayor capacidad calorífica, menor incremento de temperatura para una
determinada cantidad de calor suministrado. Los aislantes térmicos tienen una
capacida calorífica alta.
La capacidad calorífica
de un cuerpo depende de dos factores:
La sustancia por la que
está formado el cuerpo: No aumentan su temperatura de igual manera un gramo de
agua que un gramo de aceite o un gramo de hierro, aun cuando se sitúen sobre un
fuego de igual intensidad: El hierro sería el primero en aumentar su
temperatura, seguido del aceite y finalmente el agua
La cantidad de masa del
cuerpo: Tal y como has podido comprobar en el experimento anterior, no aumenta
su temperatura de igual manera un gramo y un kilogramo de agua, aun cuando se
sitúen sobre un fuego de igual intensidad: un gramo de agua variará su
temperatura más rápidamente que un kilogramo de esta misma sustancia
Estos dos factores nos
permiten definir el calor específico de una sustancia.
Específico
El calor específico se
obtiene a partir de la capacidad calorífica y representa la dificultad con que
una sustancia intercambia calor con el entorno. Es una característica de las
sustancias que forman los cuerpos y es independiente de la masa.
El calor específico de
una sustancia es su capacidad calorífica por unidad de masa.
Características
del calor específico
§ Algunas características del
calor específico son:
§ Cuanto mayor es el calor
específico de una sustancia, más calor hay que intercambiar para conseguir
variar su temperatura
§ Existe un rango de
temperaturas dentro del cual el calor específico es constante. Aunque a la hora
de resolver los ejercicios de este nivel se considera c constante, en realidad
el calor específico de cualquier sustancia varía con la temperatura
§ Según si el proceso de
intercambio de energía (calor) tiene lugar a presión constante o a volumen
constante se habla de calor específico a presión constante cp o calor
específico a volumen constante cv. Si no se especifica, el proceso se supone a
presión constante de 1 atm
§ Normalmente en sólidos
y líquidos cp ≈ cv
§ Normalmente en
gases cp ≠ cv
Signo del calor
· Si la temperatura
aumenta, Tf > Ti ⇒ ∆T > 0 ⇒ Q >
0 ⇒ el calor es positivo, el cuerpo gana energía
térmica
· Si la temperatura
disminuye, Tf < Ti ⇒ ∆T <
0 ⇒ Q <
0 ⇒ el calor es negativo, el cuerpo pierde energía
térmica
Unidades de medida del calor
Las unidades de medida más usadas
para el calor son:
· El
julio ( J ). Es la unidad del calor en el Sistema
Internacional. Las unidades del calor son iguales a las unidades del
trabajo ya que ambos son procesos de intercambio de energía
· La
caloría ( cal ). Representa la cantidad de energía que hay que
suministrar a un gramo de agua para que aumente su temperatura 1 ºC
o
1 cal =
4.184 J
· La
kilocarloría ( kcal ). También conocida como caloría grande,
en contraposición a la caloría, que se conoce como caloría pequeña. Normalmente
se usa en nutrición
o
1 kcal =
1000 cal
· La
unidad térmica británica ( BTU ). Representa la cantidad de
calor que hay que suministrar a una libra de agua para que aumente su
temperatura 1 ºF
o
1 BTU =
252 cal
Calor y cambios de estado de agregación de la materia
Otro efecto del calor
sobre los cuerpos, junto con el cambio de temperatura, es el cambio en el estado de agregación de la
materia. Recuerda que la materia se encuentra fundamentalmente en uno de
estos tres estados de agregación posibles:
1.
sólido
2. líquido
3. gaseoso
En los cambios de estado
se producen los siguientes fenómenos, relacionados con el calor:
· El cuerpo intercambia calor con su entorno: Si el cuerpo no puede
absorber o ceder calor, permanecerá en el mismo estado
·
El
cambio de estado es un proceso
térmicamente reversible, es decir, la cantidad de calor absorbida en la
transformación directa (proceso
endotérmico) es exactamente igual a la cantidad cedida en la
transformación inversa (proceso
exotérmico): Por ejemplo para pasar de hielo a agua líquida se
necesita suministrar el mismo calor que se desprende cuando se pasa de agua
líquida a hielo.
·
La temperatura permanece constante: El calor absorbido o
cedido se emplea en el cambio de estado y no en variar la temperatura.
La cantidad de calor absorbida o cedida durante
un proceso de cambio de estado viene
dada por la expresión:
Q=m⋅L
Donde:
· Q : Calor intercambiado. Cantidad de
energía térmica intercambiada con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema
Internacional es el julio ( J ),
aunque también se usa con frecuencia la caloría ( cal ). 1 cal =
4.184 J
· m: Masa. Cantidad de sustancia
considerada. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo
( kg )
· L : Variación de entalpía o calor latente. Es la cantidad de
calor por unidad de masa necesaria para realizar el cambio de estado. Su unidad
de medida en el Sistema Internacional es el julio por kilogramo ( J/kg ) aunque también se suele
usar la caloría por gramo ( cal/g )
La variación de entalpía o calor latente L es
una característica de cada sustancia para
cada cambio de estado. Así, por ejemplo, la fusión de 1 gramo de hielo a
0 ºC y a 1 atm consume 335 J de calor, por lo que Lfusión = 335 J/kg . Como puedes suponer,
cuando 1 gramo de agua a 0 ºC y
a 1 atm se convierte
en hielo, se liberan exactamente 335 J.
Equilibrio térmico
Se dice que dos cuerpos
están en equilibrio térmico cuando
están a la misma temperatura, y por tanto no intercambian calor. La ecuación de
equilibrio térmico indica que el calor que absorbe un cuerpo es igual que el
calor que cede el otro, es decir:
mA⋅cA⋅(T−TA)=mB⋅cB⋅(TB−T)
Donde:
·
mA ,mB : Masas de los cuerpos A y B
respectivamente. Es la cantidad de sustancia considerada de cada cuerpo.
Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg )
·
cA , cB : Calor específico del cuerpo A y
del cuerpo B respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema
Internacional es el julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa
con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC )
·
Temperaturas TA, TB y T : Temperatura inicial del
cuerpo A, del cuerpo B y temperatura final de equilibrio térmico
respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvin
( K )
Conductividad Térmica
El calor se propaga en los materiales según la facilidad que éstos
permitan hacerlo. En general, los materiales sólidos son los mejores
conductores del calor (especialmente los metales), luego le siguen los líquidos
y finalmente los gases, siendo éstos pésimos conductores del calor. A las
sustancias que son malos conductores del calor se les llama aislantes térmicos,
Ej: granito, madera, cueros, tejidos, etc. La conductividad térmica de un material se halla por medio de la FÓRMULA
de Fourier. Si en una barra del material se
tienen dos secciones iguales A1 y A2 (ambas
de áreas A) a las temperaturas T1 y T2 respectivamente
y separadas entre sí por una distancia d, entonces la cantidad de
calor Q que pasa entre las dos secciones en un tiempo
dado t, se obtiene por:
De donde "K" es
la constante de conductividad térmica que es propia del material. Esta
constante se mide en: cal/(m*seg*ºC). (Física 10 y 11, s.f.)
Véase también en:
https://sites.google.com/a/colegiocisneros.edu.co/fisica10y11/home/termodinamica/calorimetria
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