FÍSICA Y QUÍMICA 1º BACHILLERATO

FÍSICA Y QUÍMICA 1º BACHILLERATO
TEMA 7
ENERGÍA TÉRMICA Y CALOR
1.- TEMPERATURA Y EQUILIBRIO QUÍMICO (leer en el libro de texto)
La figura anterior indica que los sentidos humanos no son fiables a la hora de
estimar las temperaturas de los cuerpos, dado que en general recuerdan la
temperatura anterior y falsean la percepción de la temperatura que queremos
medir.
Para medir las temperaturas de los cuerpos se utilizan los termómetros. Son
aparatos que utilizan la propiedad de la dilatación de una columna de mercurio
al aumentar la temperatura.
Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto al
cabo de un tiempo se alcanza el llamado equilibrio térmico entre ellos, es
decir la temperatura es la misma para ambos cuerpos.
Se puede definir entonces la temperatura como:
“ La temperatura es la propiedad común a los cuerpos que se encuentran
en equilibrio térmico”.
2.- ESCALAS TERMOMÉTRICAS


Escala Celsius : Define los grados “Centígrados” : ºC
Escala Fahrenheit : Define los grados “Fahrenheit” : ºF
Se puede pasar de una escala a otra aplicando la siguiente fórmula:
T(º C) T(º F) - 32
=
100
180

Escala Kelvin
Esta escala es la escala de temperatura en el S.I.
Se emplea en las investigaciones científicas de Física y Química.
Se puede pasar de a escala Centígrada a la escala Kelvin así :
T(ºK) = T(ºC) + 273,16
Nota : Se puede tomar como : T(ºK) = T(ºC) + 273
Para calibrar los termómetros basados en las escalas termométricas anteriores
se utilizan los siguientes puntos “fijos” :
Temperatura de fusión del hielo (figura (a)) y temperatura de ebullición del agua
(figura (b))
figura (a)
figura (b)
(Ver en el libro de texto)
3.- EL CONCEPTO DE TEMPERATURA SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA
Leer en libro de texto
La teoría cinética establece que la temperatura de los cuerpos puede
interpretarse
A partir de la energía asociada a los movimientos de sus partículas (de
traslación , vibración,....)
A medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, el movimiento de las
partículas se hace más rápido.
Cuando la temperatura del cuerpo sea 0 º K, cesa el movimiento de cualquier
partícula del mismo. Esta temperatura se denomina “cero absoluto “ de
temperaturas porque marca el límite inferior de temperatura y que no se puede
alcanzar.
En el laboratorio se han alcanzado temperaturas del orden de 10 -9 ºK pero no
se alcanza el “cero absoluto”
4.- EL CALOR Y SU DETERMINACIÓN
La cantidad de calor absorbida ( o cedida ) por un cuerpo de masa m cuando
pasa de una temperatura inicial T0 a otra temperatura final Tf viene dada por la
expresión :
Q = m.ce.( Tf – T0)
ce se denomina calor específico del cuerpo y suele ser dato del ejercicio.
Importante ejercicio resuelto de mezclas y cálculo de la temperatura final de la
misma .
Cuando un cuerpo de masa m1 y calor específico ce1, que se encuentra a una
temperatura t1 se pone en contacto con otro cuerpo de masa m 2 de calor
específico ce2 y temperatura t2 ( t2 > t1), entonces ocurre lo siguiente:
 El cuerpo caliente cede calor (energía) al cuerpo frío
 La temperatura del cuerpo caliente desciende mientras que la del cuerpo
frío aumenta.
 Se alcanza una temperatura final de la mezcla (tf) que es la misma
para ambos cuerpos. Se calcula a partir de la siguiente ecuación:
m1. c1 .( tf – t1 ) = m2 . c2 . (t2 – tf )
5.- MECANISMOS DE PROPAGACIÓN DEL CALOR
Se conocen tres mecanismos principales:
 Conducción:
Tiene lugar cuando se ponen en contacto dos sólidos que se
encuentran inicialmente a distinta temperatura.
T1
T2
T

Convección
Esta forma de propagación del calor se produce entre cuerpos líquidos o
gaseosos como consecuencia de la diferencia de temperatura existente.
Aparecen movimientos de materia (gas o líquido) desde las zonas de
temperatura superior hacia las de temperatura inferior originando las
llamadas corrientes de convección

Radiación
En la radiación, el calor (energía calorífica) se propaga sin soporte
material alguno. La transmisión se lleva a cabo por medio de ondas: las
llamadas
ondas electromagnéticas
Por ejemplo la energía procedente del Sol, que llega a la Tierra lo hace
siguiendo este mecanismo de radiación ( dado que entre el Sol y la
Tierra no hay materia y por tanto no puede haber ni conducción ni
convección).
(Leer en el libro de texto)
6.- LOS EFECTOS DE CALENTAR LA MATERIA
 El calor dilata los cuerpos
“El incremento de temperatura de un cuerpo provoca una dilatación, debido a la
mayor movilidad de sus moléculas”.
Dilatación lineal
Si un cuerpo que tiene una longitud inicial L0 e incrementa su temperatura en
ΔT
Su nueva longitud L, se calcula a partir de la siguiente expresión:
L = L0.(1 + .T)
Donde λ es un coeficiente denominado coeficiente de dilatación lineal del
material que se trate y suele ser dato.
Fórmulas análogas tienen las dilataciones superficiales y cúbica ( ver fórmulas
en el libro de texto)

El calor produce cambios de estado
Los cambios de estado verifican las siguientes leyes :


A presión constante, cada sustancia pura cambia de estado a una
temperatura determinada, llamada temperatura de cambio de estado
Mientras se está produciendo el cambio de estado, la temperatura del
cuerpo permanece constante, aunque éste absorbe o desprende calor
“El calor latente de cambio de estado, L, de un cuerpo es la cantidad de
energía que necesita una unidad de masa de dicho cuerpo para cambiar de
estado.”
Si tenemos una masa m, se cumplirá :
Q = m.L
Siendo Q la energía calorífica para que una masa m, del cuerpo cambie de
estado.
Los calores latentes más utilizados son :
a) El calor latente de fusión (paso de líquido a sólido)
b) El calor latente de vaporización (paso de líquido a gas)
7.- PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
“ Los intercambios de energía que un sistema realiza con su entorno (mediante
calor y/o trabajo) producen variaciones en su energía interna”
Matemáticamente el Primer Principio de la termodinámica se expresa así :
ΔU = Q + T
Donde Δ U es la variación de la energía interna del sistema, Q es el calor
absorbido o cedido y T es el trabajo realizado por o sobre el sistema
A la hora de aplicar la expresión anterior hay que tener en cuenta el criterio de
signos que se indica en el esquema siguiente:
8.- EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
“No se puede construir una máquina térmica que tomando energía mediante
calor de un solo foco, sea capaz de intercambiarla íntegramente en trabajo”
Una máquina térmica toma una cantidad de energía calorífica Q1 de un foco a una
temperatura T1 y desprende una cantidad de energía menor Q2 a otro foco que está a
temperatura T2.
La diferencia T = Q1 – Q2 se intercambia como trabajo mecánico y el 2º Principio de la
Termodinámica indica que esa cantidad es siempre menor que Q1 (nunca es igual)
La parte de la energía que se aprovecha se expresa mediante el rendimiento η
Q - Q2
T
= 1
Q1
Q1
El rendimiento η expresa el porcentaje de la energía total que se intercambia como
trabajo
η=
Páginas Web interesantes que pueden ayudar al estudio del tema:
http://www.colegioheidelberg.com/deps/fisicaquimica/applets/energia/equilibriot
ermico.swf
Se muestra el concepto de temperatura de equilibrio al poner en contacto un
cuerpo caliente con otro frío
http://www.visionlearning.com/library/modulo_espanol.php?mid=48&l=s&c3=
Excelente página web para entender el concepto de temperatura, y las distintas
escalas termométricas (Fahrenheit, Celsius y Kelvin). Se comparan las tres
escalas anteriores con un esquema muy didáctico
http://eo.ucar.edu/skymath/acerca.html#definicion
En esta página Web se hace un repaso teórico muy completo a los conceptos
de temperatura, termómetros y las distintas escalas de temperatura,
diferencia entre calor y temperatura y teoría cinética de los gases
http://www.educaplus.org/index.php?option=com_content&task=view&id=65&It
emid=33
En esta simulación se visualizan las tres escalas de temperatura, Celsius,
Fahrenheit y Kelvin con las fórmulas que las relacionan. Se pueden ver también
los valores de los puntos fijos de fusión del hielo y vaporización del agua en las
tres escalas
http://www.ibercajalav.net/
Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre”
De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir:
Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 2
Simulación para aplicar la fórmula del calor comunicado a una cantidad de
agua
para que eleve su temperatura un valor T : Q = m.ce .T
http://www.ibercajalav.net/
Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre”
De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir:
Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 3
Simulación para comprobar que el tipo de material que calentemos depende
en la temperatura final que obtengamos para una misma cantidad de calor
suministrado
http://www.ibercajalav.net/
Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre”
De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir:
Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 3
Se aprecia cómo influye el tipo de material en el cambio de temperatura que
puede experimentar
http://www.ibercajalav.net/
Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre”
De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir:
Calor – Cambio de estado – Ejercicio 1
Se presenta la gráfica Temperatura – Calor (absorbido) en el agua cuando
experimenta un cambio de estado (paso de líquido a vapor)
http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/fisicayquimica/lentiscal/1lecciones/Q2/2-3Termoquim/lecciones/lecciondecalorespecifico/ttransferenciacalorentremetalya
gua.htm
En esta simulación se presenta una mezcla de un metal (cobre, oro, plata...)
con agua, ambos a distinta temperatura. Aplicando la ley de las mezclas se
pretende calcular el calor específico del metal. Además, a partir de la gráfica T
– t se puede obtener la temperatura final de la mezcla.
http://www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/dilatacionsolidos.html?x=20070924klpcnafyq_289.Kes&ap=0
Pagina Web en la que se explican las dilataciones lineal, superficial y de
volumen
http://lectura.ilce.edu.mx:3000/biblioteca/sites/telesec/curso1/htmlb/sec_124.ht
ml
Transmisión del calor por conducción, convección y radiación
EJERCICIOS DE AUTOEVALUACION
TEMA 7
CALOR Y TEMPERATURA
1) Expresar en ºC :
a) 2,13 ºF ;
b) 268 ºK ; c) 70 ºF
2) Expresar en ºK :
a) 100 ºC ; b) 273,16 ºC ; c) 32,55 ºF
3) Hallar la cantidad de calor (energía térmica) que necesita un trozo de hierro de 100 g
para elevar su temperatura de 25 ºC hasta 200 ºC.
Dato: ce (hierro) = 500 J/kg.ºK
4) Determinar la variación la longitud de un hilo de cobre de 3 m de longitud que
incrementa su temperatura desde 25 ºC hasta 125 ºC
Coeficiente de dilatación lineal del Cu : Cu = 16,7x10-6 ºK –1
5) Calcular la cantidad de calor que necesitan 20 g de hielo que se encuentran inicialmente
a –10 ºC :
a) Para pasar a hielo a 0ºC
b) Desde este estado, el calor necesario para fundir totalmente el hielo, es decir pasar
a agua a 0ºC
c) Desde este estado, el calor necesario para pasar a agua a 100 ºC
d) Desde este estado, el calor necesario para pasar totalmente al estado de vapor.
Obtener en el las tablas que aparecen en el libro de texto, los datos que sean
necesarios para resolver el ejercicio.
6) Hallar la temperatura final de una mezcla de 20 g de agua 15ºC y 30 g de agua a 50ºC
Ce (agua) = 4180 J/kg.ºK
7) En una bañera tenemos 100 litros de agua caliente a 80 ºC y queremos obtener agua
templada a 30ºC. Para ello, abrimos el grifo de agua fría. Sabiendo que ésta se
encuentra a una temperatura de 18ºC, calcular la cantidad de agua fría (en litros) que
habrá que echar a la bañera de agua caliente para obtener la temperatura final
anteriormente señalada.
Ce (agua) = 4180 J/kg.ºK
8) Si dos cuerpos están a distinta temperatura y se ponen en contacto, al cabo de cierto
tiempo:
a) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura ,mayor que la del más caliente
b) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura, menor que la del más frío
c) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura comprendida entre la de ambos.
d) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura igual a la del cuerpo de mayor
masa.
Indicar, razonando la respuesta, cuál es la opción correcta
9) Un sistema termodinámico cede una cantidad de calor de 2000 J realizándose un
trabajo en contra del sistema de 3000 J . Calcular la variación de energía interna del
sistema
RESPUESTAS A LOS EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
TEMA 7
ENERGÍA TÉRMICA
Ejercicio nº 1 :
a) Para convertir ºF a ºC se utiliza la ecuación siguiente:
º C º F  32

100
180
Sustituyendo ºF = 2,13 se obtienen: -16,6 ºC
b) Para convertir ºK a ºC se utiliza la siguiente expresión:
º K = ºC + 273,16
Sustituyendo ºK = 268 se obtienen: - 5,16 ºC
c) De la misma forma que la realizada en el apartado (a) :
º C º F  32

100
180
70 ºF serán : 21,11 ºC
Ejercicio nº 2 :
a) Aplicando : ºK = ºC + 273,16
se obtienen que 100 ºC equivalen a
ºK = 100 ºC + 273,16 =: 373,16 ºK
b) Aplicando : ºK = ºC + 273,16
Se obtiene que 273,16 ºC equivalen a :
ºK = 273,16 ºC + 273,16 = 546,32 ºK
c) Una temperatura de 32,55 ºF se convierte en ºC así :
º C º F  32

100
180
º C 32,55 º F - 32
=
100
180
Los 32,55 ºF corresponden a : 0,30 ºC
Estos ºC corresponden a una temperatura en ºK que se obtiene a partir de :
ºK = ºC + 273,16
ºK = 0,30 ºC + 273,16 = 273,46 ºK
Ejercicio nº 3 :
Aplicando la expresión
Q = m.ce . T
Esta expresión permite calcular el calor ganado (o cedido) por una sustancia de masa m (kg)
de calor específico ce (J/kg.ºK) para que su temperatura varíe en T (ºK)
Los datos que se conocen son :
m = 100 g = 0,100 kg de hierro
ce = 500 J/kg.ºK : calor específico del hierro
T0 = 25 ºC = 298 ºK : temperatura inicial
Tf = 200 ºC = 473 ºK : temperatura final
T = Tf – T0 = 473 – 298 = 175 ºK : variación dela temperatura
Sustituyendo valores, se obtiene :
Q = 0,100 x 500 x 175 = 8750 J
Ejercicio nº 4
Solución : Aplicando la expresión :
L = L0.(1 +.T)
L : longitud final del hilo
L0 : longitud inicial
 : coeficiente de dilatación lineal del hilo
T : variación de la temperatura
El ejercicio pide que se calcule la variación de longitud del hilo, es decir:
L = L – L0
A partir de la expresión : L = L0.(1 +.T) se obtiene:
L = L0 + L0 . .T
Por consiguiente:
L = L – L0 = L0. ..T
Sustituyendo valores :
L = L – L0 = L0..t = 3 x 16,7x10-6 x 100 = 0,005 m
L = 0,005 m = 5 mm
Ejercicio nº 5 :
a) Para pasar de hielo a –10 ºC a hielo a 0ºC se necesitan:
Q1 = m.ce.T
Q1 = m.ce.T =0,020x2100x10 = 420 J
b) Para pasar de hielo a 0 ºC a agua a 0 ºC (fusión del hielo) se necesitan
Q2 = m.Lf
Lf : calor latente de fusión del hielo
Q2 = m.Lf =0,020x 3,35x105 = 6700 J
c) Para pasar de agua a 0 ºC a agua a 100 ºC se necesitan
Q3 = m.ce.T
Q3 = m.ce.t = 0,020x4180x100 = 8360 J
d) Para pasar de agua a 100ºC a vapor se necesitan:
Q4 = m.Lv
Siendo Lv : el calor latente de vaporización del agua
Q4 = m.Lv = 0,020x 334,4x103 = 6688 J
Calor total : QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 22168 J
Ejercicio nº 6 :
Si mezclamos 20 g de agua a 15 ºC (cuerpo frío) con 30 g de agua a 50 ºC (cuerpo caliente)
pasa calor (energía) desde el agua caliente que está a 50 ºC hacia el agua fría a 15 ºC.
Como resultado de este paso de calor, la temperatura del agua caliente bajará hasta un valor
Tf y la del agua fría ascenderá hasta ese mismo valor .
El valor de Tf indica la temperatura final de la mezcla y se calcula haciendo la siguiente
ecuación:
Calor ganado por el agua fría = Calor cedido por el agua caliente
Para calcular el calor ganado y el calor cedido se aplica la expresión :
Q = m.ce . T
Calor ganado por el agua fría :
Qganado = 0,020 x 4180 x ( Tf – 15)
(*)
Calor cedido por el agua caliente :
Qcedido = 0,030 x 4180 x ( 50 – Tf)
Nota : Hay que tener en cuenta que en esta última expresión se ha puesto (50 – Tf) en vez de
(Tf – 50) para conseguir de esta forma que el calor sea positivo (al igual que el de la ecuación *)
Igualando las dos expresiones anteriores :
0,020 x 4180 x ( Tf – 15) = 0,030 x 4180 x ( 50 – Tf)
0,020 x ( Tf – 15) = 0,030 x ( 50 – Tf)
0,020 Tf – 0,300 = 1,500 - 0,030 Tf
0,050 Tf = 1,800
Tf =
1,800
= 36 º C
0,050
Nota : Se han utilizado todas las temperaturas en º C, dado que el resultado obtenido sería el
mismo que si se hubieran utilizado º K ( puede comprobarse)
Ejercicio nº 7 :
Si mezclamos en este caso, 100 litros (100 kg) de agua a 80 ºC (cuerpo caliente) con m kg
(desconocido) de agua a 18 ºC (cuerpo frío) pasa calor (energía) desde el agua caliente que
está a 80 ºC hacia el agua fría a 18 ºC.
Como resultado de este paso de calor, nos dice el enunciado del ejercicio que la temperatura
final de la mezcla se consigue a 30 ºC.
En toda mezcla de cuerpos ( en este caso agua) a distinta temperatura se cumple :
Calor ganado por el agua fría = Calor cedido por el agua caliente
Para calcular el calor ganado y el calor cedido se aplica la expresión:
Q = m.ce . T
Calor ganado por el agua fría :
Qganado = m x 4180 x ( 30 – 18)
(*)
Calor cedido por el agua caliente :
Qcedido = 100 x 4180 x ( 80 – 18)
Nota : Hay que tener en cuenta que en esta última expresión se ha puesto (80 –18) en vez de
(18 – 80) para conseguir de esta forma que el calor sea positivo cedido (al igual que el de la
ecuación *)
Igualando las dos expresiones anteriores :
m x 4180 x ( 30 – 18) = 100 x 4180 x ( 80 – 18)
Simplificando :
12 . m = 6200
m=
6200
= 416,66 kg
12
Los 416,66 kg de agua corresponden también a 416,66 litros de agua
Ejercicio nº 8 :
Respuesta (a) : INCORRECTA, pues la temperatura final no puede ser mayor que la
temperatura del cuerpo más caliente.
Respuesta (b) : INCORRECTA , pues la temperatura no puede ser menor que la del cuerpo
más frío .
Respuesta ( c) : CORRECTA , pues la temperatura final siempre s encuentra entre la del más
caliente y la del más frío.
Respuesta (d) : INCORRECTA , pues la temperatura final de la mezcla siempre será distinta a
la de los cuerpos que se mezclan, independientemente de su masa.
Ejercicio nº 9 :
El PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ( Ver libro de texto) , dice :
“La variación de la ENERGÍA INTERNA ( U) de un sistema, es igual al calor Q suministrado
(o desprendido) al sistema , más el trabajo realizado por ( o sobre ) el sistema”
La ecuación que expresa este principio es:
U=Q+T
Hay que distinguir el siguiente criterio de signos:
Si el calor Q es suministrado al sistema (entra al sistema)
: Q>0
Si el calor Q es desprendido por el sistema (sale del sistema) : Q < 0
Si se realiza Trabajo sobre el sistema: T > 0
Si el sistema realiza trabajo sobre su entorno: Q < 0
En el caso del enunciado:
Si cede 2000 J de calor, entonces se considera negativo
Si se realiza un trabajo de 3000 J en contra del sistema (sobre el sistema) entonces será
positivo. Por consiguiente:
 U = Q + T = - 2000 + 3000 = + 1000 J
Por consiguiente, al ser U positiva ( >0), nos indica que ha habido un aumento de energía
interna del sistema.
TEMA 7 : ENERGÍA TÉRMICA Y CALOR
EJERCICIOS PROPUESTOS DEL LIBRO DE TEXTO
(Se indica la página del libro en la que se encuentra y el nº del ejercicio)
Ejercicio nº 2 (pág 131)
Ejercicio nº 4 (pág 133)
Ejercicio nº 6 ( pág 133)
Ejercicio nº 11 (pág 137)
Ejercicio nº 12 (pág 137)
Ejercicio nº 16 (pág 139)
Ejercicio nº 17 (pág 144)
Ejercicio nº 18 ( pág 144)
Ejercicio nº 27 (pág 144)
Ejercicio nº 31 (pág 144)
Ejercicio nº 34 (pág 145)
Ejercicio nº 40 (pág 145)
Ejercicio nº 50 (pág 146)