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1º BACHILLERATO
ENERGÍA
CALOR Y TEMPERATURA
COLEGIO TERESIANO
DE VALLADOLID
Un hecho experimental cotidiano es que los objetos pueden estar a distintas temperaturas. Para medir la temperatura usamos los termómetros. Pero… ¿qué estamos midiendo cuando determinamos la temperatura de un objeto? Termómetro construido por Galileo en 1597. El aire con- tenido en el bulbo superior aumenta su presión al calen- tarse y empuja el agua hacia abajo. Si el aire se enfría, disminuye la presión, y el agua asciende. No se tenía en cuenta que la presión atmosférica también influye en que la columna de agua suba o baje. Aunque la temperatura (en una u otra escala) se mide des- de hace mucho tiempo (ver termómetro de Galileo), no fue hasta finales del s. XIX cuando se consiguió dar una expli- cación de su naturaleza gracias al desarrollo de la Física Estadística, la cual aplica los métodos matemáticos de esta ciencia (la estadística) para estudiar las propiedades obser- vables (presión, temperatura…) de un sistema formado por un número muy elevado de partículas (átomos o molécu- las). La temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética media de traslación de sus moléculas : (k = 1,3807.10-^23 J/K) Donde k es la llamada constante de Boltzman. La temperatura que aparece en la fórmula es la llamada temperatura absoluta. Su cero se correspondería con la temperatura de un sistema en el que las partículas que lo integran tuvieran una energía cinética de traslación nula. El cero de la escala absoluta se corresponde con el valor - 273,15 0 C. La unidad de medida de temperaturas absolutas es el Kelvin (K) que es la unidad fundamental de temperatura del S.I. c
E k T
Para pasar de la escala centígrada a la escala de temperaturas absolutas se pue- de usar la siguiente expresión: K = 273,15 + C Así 0 0 C se corresponderán con: K = 273,15 + C= 273,15 + 0 = 273,15 K O bien 300 K, serán: C = K – 273,15 = 300 – 273,15 = 26,85 0 C. El grado centígrado y el de la escala abso- luta son iguales. E¿Qué ocurre cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto? Teniendo en cuenta la interpretación de la temperatura dada más arri- ba, deberemos concluir que las moléculas del cuerpo que está a tempe- ratura más alta tienen una energía cinética media superior a las del cuerpo que tiene menor temperatura. Cuando se ponen en contacto se produce una transferencia de energía entre las moléculas, de tal manera que las que tienen mayor energía cinética pierden una parte que pasa a las del otro cuerpo. En consecuencia, el cuerpo que estaba inicialmente a mayor temperatura experimentará un descenso, y au- mentará la del que estaba a menor temperatura, hasta que ambas se igualen. Una vez alcanzado en equilibrio, cesará el flujo de energía. Llamamos calor (Q) a la energía en tránsito que pasa de un cuerpo a otro cuando éstos están a distinta temperatura. El calor, por tanto, es energía. O dicho más exactamente, energía en tránsito de un cuerpo a otro. Por consiguiente, sus unidades serán las establecidas para la energía (J), aunque a menudo, y por razones histó- ricas, se mida en calorías (cal) o en kilocalorías (1 kcal = 10 3 cal): 1 cal = 4,18 J ; 1 J = 0,24 cal
T 1 T 2
T 1 > T 2
T 1 Q T 2
T T
Ejemplo 1 a) Calcular la cantidad de energía (en julios) que habrá que comunicar a un trozo de 250 g de co- bre para elevar su temperatura 15 0 C. b) Si el calor calculado en el apartado anterior lo pierde otro trozo de aluminio de igual masa. Cal- cular cuánto descenderá su temperatura. Solución: a)
b) Como el aluminio pierde calor, consideramos al calor como negativo:
Observar como perdiendo el mismo calor la temperatura del aluminio desciende prácticamente la mitad de lo que sube la del cobre, debido a que su calor específico es casi el doble. Si consideramos gases la situación es aún más delicada, ya que el calor específico de los gases es distinto si se mide a presión constan- te o a volumen constante. ¿Cuánto calor es necesario comunicar a una sustancia para que eleve su temperatura t^0 C? La cantidad de calor necesaria depende de la sustancia de que se trate y de la masa de la misma y se puede calcular usando la expresión: Donde Ce es el calor específico de la sustancia.
Q = m c e ( tf − ti )= m c et
El calor específico es una propiedad caracte- rística de las sustancias y es el calor necesa- rio para elevar 1 grado (centígrado o kelvin) la temperatura de 1 g de sustancia. La unidad S.I. de calor específico es: … aunque normalmente se mide en: El calor específico de las sustancias, rigurosa- mente, varía con la temperatura. Esto es, 1 g de agua no absorbe el mismo calor para subir su temperatura 1 0 C si la subida es de 20 a 21 0 C, que de 99 a 100 0 C. No obstante, como la varia- ción es bastante pequeña se considera el calor específico medio entre 0 0 C y 100 0 C.
J
kg.K
0
cal
g. C
Calores específicos medios entre 0 y 100 0 C Sustancia Ce(cal/g 0 C) Agua (^) 1, Aluminio (^) 0, Etanol (^) 0, Cobre (^) 0, Hierro (^) 0, Zinc (^) 0, Plomo (^) 0, Un dato interesante surge cuando se calcula el calor específico molar de los metales. Es decir, el calor necesario para elevar 1 grado la temperatura de 1 mol de metal. Se observa que el valor obtenido es aproximadamente igual a 6 cal/mol 0 C para todos los metales****. Como sabemos que cuando tomamos 1 mol de un metal estamos cogiendo el mismo número de átomos metálicos (6,02.10^23 ), deducimos que se necesita muy aproximadamente la misma cantidad de energía por átomo metálico. Por tanto, el calor necesario para elevar la temperatura de una muestra de metal dependerá únicamente del número de átomos del metal. El hecho de que el calor específico molar de muchos metales (y elementos sólidos) sea aproximadamen- te igual a 6 cal/mol. 0 C se conoce con el nombre de Ley de Dulong y Petit.
Q = m c e =t 250 g
cal
g
0
C
0
15 C 356,25 cal
356,25 cal
1J
0,24 cal
=1484,38 J
e e
Q 356,25 ca
Q m c t ; t
m c
l
250 g
ca
l
g
0 0
6,6 C
C
Su temperatura baja 6,6 0 C
Repitamos el cálculo introduciendo ahora el equivalente en agua del calorímetro: Con lo que el error será ahora: Ejemplo 3. Se mezclan 800 g de agua a 20 0 C con 1000 g de agua a 70 0 C. Calcular cuál será la temperatura final de la mezcla. Datos: m (^) M = 100,0 g ; tM = 86 0 C m (^) H2O = (300,0 + 42,5) g= 342,5 g ; t (^) H2O = 21 0 C tF = 25 0 C 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 M M eM F M H O H O eH O F H O M eM F M H O eH O F H O H O eH O F H O eM M F M
Q m c (t t )
Q m c (t t )
m c (t t ) m c (t t ) 0
342,5 g
m c (t t )
c
m (t t )
o o
cal
1 4 C
g C
100,0 g
o
( − 61) C
o
cal
g C
cal
o
1J
g C 0,24 cal o
J
g C
cal
g o
1J
C 0,24 cal
1000 g
J
1kg kg K
a medido verdadero a r verdadero
E V V 0,225 0,217 0,008 (error por exceso)
E 0,
E 100 100 3,7 %
V 0,
Datos: m A = 800 g ; t A = 20 0 C m (^) B = 1000 g ; t (^) B = 70 0 C Ce = 1 cal/ g 0 tF = ¿? Como el calor cedido por el agua a temperatura más alta de- berá de ser igual (pero de signo contrario) a la ganada por el agua a temperatura más baja, deberá de cumplirse:
Q A + Q B= 0
A A e F A B B e F B A e
Q m c (t t )
Q m c (t t )
m c
(t F − t A ) + mB ce F B
A F A A B F B B F A B A A B B A A B B F A B
(t t ) 0
m t m t m t m t 0
t (m m ) (m t m t ) 0
m t m t 800 g
t
m m
20 C^0 + 1000 g 70 C^0
(800 +1000) g
= 47,8 C^0
Uno de los efectos causados por el aumento (o disminución) de la temperatura es el cambio agregación (cambio de estado) de la materia. Fusión y ebullición Como se ha dicho más arriba cada sustancia tiene (a una presión dada) unas temperaturas de fusión y ebullición características que pueden servir para su identificación (ver tabla ). Ocurre, además, que m ientras una sustancia está fundiendo o hirviendo su temperatura permanece invariable. Sustancia T Fus (^0 C) T Ebu (^0 C) Agua 0 100 Aluminio 660 2400 Amoniaco - 78 - 34 Butano - 138 - 0, Etanol - 114 78, Hidrógeno - 259 - 253 Hierro 1540 2800 Mercurio - 39 357 Nitrógeno - 210 - 196 Plomo 328 1750 Wolframio 3387 5527 Los cambios de estado que absorben calor reciben el nom- bre de cambios de estado progresivos. Por el contrario los cambios de estado que ne- cesitan que la sustancia se en- fríe (desprenda calor) reciben el nombre de cambios de estado regresivos. En la figura se representan en rojo y con línea continua los cambios de estado progresivos y en azul y con línea disconti- nua los regresivos.
SOLIDO GAS
LÍQUIDO
Fusión Solidificación Condensación Sublimación regresiva Sublimación Vaporización Cambios de estado progresivos
- Fusión. Paso de sólido a líquido. La temperatura de fusión es una propiedad característica de las sustancias. Por tanto, puede servirnos para identificar a las sustancias. Varía con la pre- sión. A medida que ésta disminuye la temperatura de fusión desciende.
- Vaporización. Paso de líquido a gas. Tiene lugar a cualquier temperatura y en la superficie libre del líquido (los líquidos se evaporan a cualquier temperatura). Sin embargo, si aumentamos la temperatura llega un momento que la evaporación se produce en todo el líquido, formándose grandes burbujas (llenas de vapor del líquido) que ascienden hasta la superficie. Decimos que el líquido comienza a hervir o que entra en e bullición. La temperatura a la que un líquido hierve es otra propiedad característica llamada temperatura de ebullición****. Varía con la presión. A medida que ésta disminuye la temperatura de ebullición desciende.
- Sublimación. Paso directo de sólido a gas sin pasar por el estado líquido. Como la vaporización ocurre a cualquier temperatura (de ahí que podamos oler sustancias sólidas. Pequeñas porcio- nes del sólido subliman y llegan en forma de vapor a nuestra nariz). La mayor parte de las sus- tancias necesitan encontrarse a presiones muy bajas para que la sublimación sea apreciable. Cambios de estado regresivos
- Solidificación. Paso de líquido a sólido. Ocurre a la misma temperatura que la fusión. Varía con la presión.
- Condensación. Paso de gas a líquido.
- Sublimación regresiva. También llamada sublimación inversa o deposición. Paso directo de gas a sólido sin pasar por el estado líquido.
Fase 1. Cálculo del calor que es necesario comunicar para elevar la temperatura de 500 g de hielo desde – 20 0 C hasta su temperatura de fusión (0 0 C): Fase 2. Cálculo del calor necesario para que el hielo funda sin variar su temperatura (0oC) Fase 3. Cálculo del calor necesario para elevar la temperatura del agua desde 0 0 C hasta 50 0 C. Calor total : Imaginemos ahora la siguiente situación: Un cuerpo de masa m desliza sobre una superficie con una velocidad v. Sobre él actúa una fuerza de roza- miento FR. Describir lo que ocurre usando el concepto de energía. En el estado inicial el cuerpo tiene energía cinética, pero debido a la acción de la fuerza de roza- miento irá perdiendo esa energía que será transferida al ambiente como calor. Cuando se detenga, el cuerpo tendrá una energía cinética nula, ya que la que tenía inicialmente se habrá convertido ín- tegramente en calor. Como puede observarse no existe ninguna restricción para convertir la energía cinética en calor. Pero… ¿podemos convertir el calor en energía cinética del cuerpo? La respuesta es sí (una máquina de vapor convierte calor en energía cinética), pero existen limitaciones : Para convertirla necesitaremos una máquina térmica (no entra en el examen) y, para que ésta funcione, es necesario que el calor pase de un depósito que esté a mayor temperatura a otro que esté a menor. Es decir:
- No se puede convertir calor en trabajo (energía transferible o utilizable) mediante un pro- ceso a temperatura constante (isotermo)
- No es posible transformar íntegramente calor en trabajo, ya que parte del calor se cede al depósito a temperatura más baja y no se aprovecha como trabajo útil. Las condiciones anteriores (en realidad dos negaciones) regulan la conversión del calor en trabajo y consti- tuyen una de las formas de enunciar (históricamente fue la primera) lo que se conoce como Segundo Prin- cipio de la Termodinámica. Uno de los tres principios o leyes básicas en los que se asienta esta importan-
Q 1 = m ce (hielo) (t 2 − t ) 1 = 500 g
cal
g
0
. C
0
[0 − −( 20)] C 5.000 cal
5.000 cal
1J
0,24 cal 3
1kJ
10 J
=20,8 kJ
Q 2 = m L = 0,5 kg
kJ
kg
=167,0 kJ
Q 3 = m c e (agua) (t 3 − t ) 2 = 500 g
cal
g
0
. C
0
(50 − 0) C^4
4
2,5.10 cal
2,5.10 cal
1J
0,24 cal 3
1kJ
10 J
=104,2 kJ
Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 = 20,8 kJ + 167,0 kJ + 104,2 kJ =292,0 kJ
Hielo
- 200 C
Hielo
00 C
Agua (liq))
00 C
Agua (liq)
500 C
20,8 kJ 167,0 kJ 104,2^ kJ
tísima parte de la Física (Termodinámica) que trata, fundamentalmente, de estudiar la manera en que la energía se transforma de una forma en otra. Debido a esta imposibilidad de transformar la totalidad del calor en trabajo (energía utilizable) se dice que el calor es una energía de “calidad inferior”. De ahí que cuando la energía cinética se transforma en calor se dice que l a energía se degrada. Íntimamente ligado a todo lo dicho está el concepto de reversibilidad o irreversibilidad de un proceso. Un proceso es irreversible si una vez realizado es imposible restituir al sistema a las condiciones iniciales. De esta manera, cualquier proceso en el que cualquier tipo de energía sea transformada en calor es irreversible , ya que no hay posibilidad de restituir al sistema a las condiciones iniciales. ¿Podríamos convertir el calor cedido y transformarlo en energía cinética del cuerpo?...Sí. Mediante una máquina térmica, pero no en su totalidad (Segundo Principio). La máquina deberá de funcionar tomando calor de un depósito a temperatura superior y cederlo a otro a temperatura inferior e, irremediablemente, en este proceso parte del calor tomado se cede a temperatura más baja no pudiendo convertirse en energía cinética. Al final del ciclo el cuerpo tendría menos energía que al principio. No se restituirían las condiciones de partida. Ejemplo 5. Se construye una máquina térmica ideal que opera entre 400 (1)^ y 300 K. Calcular el rendimiento máximo (ideal) de dicha máquina. Solución: Si suponemos que absorbe 100 J de energía a la temperatura superior seríamos capaces de obte- ner 25 J de energía útil, transferible (trabajo) y 75 J serían cedidos a la temperatura inferior. Foco caliente a la temperatura TC Foco frío a la tem- peratura TF Trabajo
Q 1
Q 2
W
Foco caliente a la temperatura TC Trabajo
Q
W
Esquema de una máquina térmica que viola el Segundo Principio de la Termodinámica. Esta máquina (imposible) convertiría todo el calor en trabajo. El rendimiento sería del 100 % Esquema de una máquina térmica (simbolizada por el círcu- lo rojo) que cumple el Segundo Principio de la Termodiná- mica. El calor absorbido Q 1 en el foco caliente es transformado parte en trabajo (W) y parte (Q 2 ) cedido al foco frío. El rendimiento de una máquina térmica viene dado por el cociente entre el trabajo realizado (W) y la energía absorbi- da (Q 1 ) El rendimiento de una máquina térmica no puede llegar al 100 % Consideremos una máquina térmica ideal (imposible de cons- truir en la realidad). El rendimiento puede calcularse conside- rando las temperaturas (absolutas, en K) de los focos: El rendimiento de una máquina térmica real sería inferior a éste. 1
W
r
Q
c F 1 C
W T T
r
Q T
c F 1 C
W T T (400 300) K
r
Q T
400 K
Por tanto el rendimiento máximo (inalcan- zable) de esa máquina sería del 25 %
