CALOR Y CALORIMETRIA, Resúmenes de Física

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CALOR Y CALORIMETRÍA

Fís. Carlos Adrián Jiménez Carballo

Escuela de Física

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Objetivos

Al finalizar esta sección el estudiante deberá ser capaz de

Identificar los conceptos de calor, calor específico, capacidad

calorífica y calor latente.

Interpretar el equivalente mecánico de calor.

Solucionar problemas de calorimetría.

Contenido

Calor

Calor específico

Calorimetría

Calor latente

Contenido

Calor

Calor específico

Calorimetría

Calor latente

El equivalente mecánico del calor

El científico inglés James Joule demostró cuantitativamente que cuando se efectuaba cierta cantidad de trabajo mecánico sobre el agua esta se calentaba. El utilizó un dispositivo como el que se muestra en la figura, donde al descender los pesos, los agitadores agitan el agua, y la energía mecánica, o trabajo, se convierte en energía calorífica la cual que eleva la temperatura del agua. Joule demostró que por cada 4186 J de trabajo realizado, la temperatura del agua aumentaba 1 C◦^ por kg, o bien, que 4186 J equivalía a 1 kcal:

1 kcal = 4186 J

donde dicha relación se denomina equivalente mecánico del calor.

Contenido

Calor

Calor específico

Calorimetría

Calor latente

Capacidad calorífica molar

A veces resulta más útil describir una sustancia en términos del número de moles n , en vez de la masa m de la misma. La masa de una sustancia se puede relacionar con el número de moles de la misma, m = nM , donde M es la masa molar de la sustancia y se define como la masa por mol. A partir de la definición anterior se puede reescribir la expresión de la cantidad de calor ( Q ) necesaria para variar la temperatura de una masa de una sustancia de la siguiente manera: Q = nMc ∆ T = nC ∆ T ,

donde C = Mc se conoce como capacidad calorífica molar y representa la

cantidad de calor necesaria para elevar en 1◦C la temperatura de 1 mol de una

sustancia. Las unidades del calor específico en SI son J/(mol·K) o J/(mol·C◦).

Calores específicos y capacidades caloríficas molares

Calor específico Masa molar Capacidad calorífica

 - Aluminio 910 0.0270 24. Sustancia (J/kg · K) (kg/mol) molar (J/mol · K) - Berilio 1970 0.00901 17. - Cobre 390 0.0635 24. - Etanol 2428 0.0461 111. - Etilenglicol 2386 0.062 148. 

• Hielo (cerca de 0◦C) 2090 0.0180 37. - Hierro 470 0.0559 26. - Plomo 130 0.207 26.
  • Mármol (CaCO 3 ) 879 0.100 87. - Mercurio 138 0.201 27. - Sal 879 0.0585 51. - Plata 234 0.108 25.
    • Agua (líquida) 4190 0.0180 75.

Calorimetría

La calorimetría es la técnica de medición cuantitativa de intercambio de calor, donde dichas mediciones se realizan con la ayuda de un instrumento llamado calorímetro , que por lo general es un recipiente aislado que permite una pérdida de calor mínima al entorno (idealmente, ninguna).

Los cálculos calorimétricos se basan en un principio básico el cual es sencillo y dice: si fluye calor entre dos cuerpos aislados de sus alrededores, el calor perdido por un cuerpo debe ser igual al ganado por el otro. El calor es transferencia de energía, así que este principio es realmente la conservación de la energía. Lo anterior significa que para un sistema aislado la suma de todos los calores ganados o perdidos en una mezcla por las sustancias involucradas debe ser cero, en otras palabras:

Q = Qganado + Qperdido = Q 1 + Q 2 + ... + QN = 0

Contenido

Calor

Calor específico

Calorimetría

Calor latente

Cambios de fase

Un cambio de fase es una transición de estado físico de la materia de una sustancia a otro estado físico.

Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañados por absorción o emisión de calor, y un cambio de volumen y densidad.

Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si se agrega calor al hielo a 0◦C y a presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta, en vez de ello, parte de él se funde para formar agua líquida.

Calor latente

El calor que absorbe o cede una cierta unidad de materia durante un cambio de estado fase a temperatura constante se denomina calor latente ( L ). Las unidades del calor latente en el SI son J/kg.

El calor latente para un cambio de fase de sólido a líquido se denomina calor latente de fusión ( Lf ); y el de un cambio de fase de líquido a gas se conoce como calor latente de vaporización ( Lv ). Es común llamar a estas cantidades simplemente calor de fusión y calor de vaporización.

Cuando se da un cambio de fase el calor ganado o cedido en dicho cambio de fase se determina como: Q = ± Lm.

Bibliografía

• Sears, F.W., Zemansky, M.W., Young, H.D., Freedman, R.A. (2013). Física Universitaria. Volumen I. Décimo tercera edición. México: Pearson Education.
• Resnick, R., Halliday, D., Krane, K. (2013). Física. Volumen I. 5ta. Edición. México: Grupo Editorial Patria.
• Wilson, J.D., Buffa, A.J. y Lou, B. (2007). Física. 6ta Edición. México: Pearson educación.

Créditos

Vicerrectoría de Docencia

CEDA - TEC Digital

Proyecto de Virtualización 2016-

Física General III

Fís. Carlos Adrián Jiménez Carballo (profesor)

Ing. Paula Morales Rodríguez (coordinadora de diseño)

Andrés Salazar Trejos (Asistente)