termometria y calorimetria

Temperatura
1. CONCEPTO
Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si
están en equilibrio térmico. Por tanto el concepto de
temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad
relativos y de la observación de que el suministro de calor a
un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras
no se produzca la fusión o ebullición. La temperatura depende
de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de
una sustancia; según la teoría cinética (Termodinámica), la
energía puede corresponder a movimientos rotacionales,
vibracionales y traslacionales de las partículas de una
sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del
movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las
moléculas de una sustancia no presentarían actividad
traslacional alguna a la temperatura denominada cero
absoluto.
En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el
calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus
temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico
(Transferencia de calor).
Así como por ejemplo cuando introducimos la mano derecha
en un deposito de mano caliente y la mano izquierda en un
deposito de agua helada, si después de haberlas tenido unas
instantes en esta posición introducimos simultáneamente las
dos manos en un depósito de agua tibia, la mano derecha
experimentará una sensación de frío, mientras la sensación
de la mano izquierda será de calor.
Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque
relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la
temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un
flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.
Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de
otros cambios en las propiedades de una sustancia. Por
ejemplo, el termómetro de mercurio convencional mide la
dilatación de una columna de mercurio en un capilar de vidrio,
ya que el cambio de longitud de la columna está relacionado
con el cambio de temperatura. Si se suministra calor a un gas
ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la
presión aumenta, y el cambio de temperatura puede
determinarse a partir del cambio en la presión según la ley de
Gay-Lussac, siempre que la temperatura se exprese en la
escala absoluta.
Para establecer los diversos grados de la noción de frío o
caliente se recurre a la observación de un dispositivo físico
denominado termómetro.
Termómetro.- Instrumento empleado para medir la
temperatura de los cuerpos, se basa en el fenómeno
de la dilatación que sufren los líquidos al ser
calentados.
Generalmente, todos los termómetros están formados
por un bulbo o pequeño recipiente que contiene el
líquido que se va a dilatar en comunicación con el
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capilar. Al calentar el depósito y, por lo tanto, el líquido,
este sube por el capilar indicando su nivel la
temperatura alcanzada.
congelación del agua y de 100 °C a su punto de
ebullición.
Se toma como puntos fijos de los termómetros:
™ El punto de fusión del hielo o punto inferior.
™ El Punto de ebullición del agua o punto superior.
El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado
por un capilar de vidrio de diámetro uniforme
comunicado por un extremo con una ampolla llena de
mercurio. El conjunto está sellado para mantener un
vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura
aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el
capilar. La temperatura se puede leer en una escala
situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es
muy utilizado para medir temperaturas ordinarias;
también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.
2. ESCALAS DE TEMPERATURA
™ Escala Fahrenheit.- Una de las primeras escalas,
establecida por el físico alemán Gabriel Daniel
Fahrenheit. Según esta escala, a la presión
atmosférica normal, el punto de solidificación del agua
(y de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de
ebullición es de 212 °F.
™ Escala Centígrada O Celsius.- Ideada por el
astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi
todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de
™ Escala Absoluta O Kelvin.- Es la escala más
empleada en ciencia, inventada por el matemático y
físico británico William Thomson , lord Kelvin. En esta
escala, el cero absoluto, que está situado en 273,15 °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un
kelvin equivale a una diferencia de un grado en la
escala centígrada.
K-273 = ºC = ºF-32 = R-492
5
5
9
9
Ing. Magno Cuba A.
3. EFECTOS DE LA TEMPERATURA
La temperatura desempeña un papel importante para
determinar las condiciones de supervivencia de los seres
vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy
limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y
tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las
especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho
rango de temperaturas del agua, diferente según las
especies. Por ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la
temperatura de un río como resultado del calor desprendido
por una central eléctrica puede provocar la contaminación del
agua y matar a la mayoría de los peces originarios.
Los cambios de temperatura también afectan de forma
importante a las propiedades de todos los materiales. A
temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve
quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican
o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia
por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero
absoluto, muchos materiales presentan características
sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas, los
materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los
compuestos químicos se separan en sus componentes.
se deben básicamente al calentamiento por la radiación del
Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan
el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno,
la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de
referencia de 15 °C en el nivel del mar (en latitudes
templadas) hasta unos -55 °C a 11.000 m aproximadamente.
Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi
constante hasta unos 34.000 m.
Calor
1. CONCEPTO
Calor, en física, es la transferencia de energía de una parte a
otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de
una diferencia de temperatura. El calor es energía en
tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a
una zona de menor temperatura, con lo que eleva la
temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre
que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La
energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un
objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
2. UNIDADES DE CALOR
La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por
las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las
grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho
más frías que los océanos de la misma latitud, y en julio la
situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del
aire está determinada en gran medida por la temperatura de
la superficie terrestre. Los cambios periódicos de temperatura
En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las
mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en
julios (S.I.).
Pero en la práctica actual y por tradición se emplea aún las
siguientes unidades:
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1) Caloría.- Es la cantidad de calor necesaria que
requiere un 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión
para elevar su Tº 1 ºC. en la actualidad y debido al
desarrollo de la técnica del frío; se utiliza la frigoría, o
cantidad de calor que hay que quitar a 1 gramo de agua
para bajar su Tº 1 ºC.
Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o
caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o
kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en
nutrición.
2. Kilocaloría.- Es la cantidad de calor que necesita un
kilo de agua para elevar su Tº 1 ºC.
3. B.T.U. (British Thermal United). - Es la unidad
térmica inglesa para medir el calor, que se define de la
siguiente manera: Es la cantidad de calor que nesecita
una libra masa de agua pura para subir 1º Fahrenheit de
63ºF a 64ºF
1 B.T.U.
1 Lb ºF
1 B.T.U.
454 g ºF
1 B.T.U.
252 g ºc
1 B.T.U.
252 Cal
1 B.T.U.
0.252 K-Cal
1 K-Cal
1000 B.T.U.
1 k-Cal
3.97 B.T.U.
1 Cal
4.2 J
1J
0.24 Cal
Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo
mecánico realizado para producir calor por rozamiento
aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se
realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de
forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en
un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y
halló que el aumento de temperatura del agua era
proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.
Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en
un motor de combustión interna, la ley de conservación de la
energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o
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disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene
una eficiencia perfecta. (Caballo de vapor)
1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg
de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.
3. CALOR LATENTE
4. CALOR ESPECÍFICO
El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie
de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de
volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El
comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una
importante excepción a esta regla (véase Hielo). Se denomina
fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido,
líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras
tienen lugar a temperaturas y presiones definidas (Regla de
las fases). El paso de sólido a gas se denomina sublimación,
de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si
la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una
temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para
producir un cambio de fase se llama calor latente; existen
calores latentes de sublimación, fusión y vaporización
(Destilación; Evaporación). Si se hierve agua en un recipiente
abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no
aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se
suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la
temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino
que se emplea en transformar el agua en vapor y se
almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se
condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse
(véase Condensación). Del mismo modo, si se calienta una
mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que
se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea
para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas
de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir
La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado
la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se
conoce como calor específico. Si el calentamiento se produce
manteniendo constante el volumen de la sustancia o su
presión, se habla de calor específico a volumen constante o a
presión constante. En todas las sustancias, el primero
siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico
del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado
Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias
prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre
los calores específicos a volumen constante y presión
constante
ya
que
son
aproximadamente
iguales.
Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia
dependen de la temperatura.
Tipos de Calor: De acuerdo a su naturaleza podemos
clasificar de dos maneras:
Calor Sensible.- Es aquella donde existe variación de
temperatura y se determina con la siguiente relación:
Q = Ce.m.∆t
Ce: Calor específico
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Q : Cantidad de Calor
Cambios De Estados Físicos
m : Masa de cuerpo
∆t: variación de temperatura
Ce Hielo = 0.5 cal/grºC
Ce agua = 1 cal/gr ºC.
Ce Vapor = 05. cal/grºC
Ce cuerpo Humano = 0.83 cal/grºC.
Calor Latente .- Es aquella donde en la sustancia hay cambio
de estado sin cambiar de temperatura.
Q = mL Donde M = masa de la sustancia
L = Calor especifico latente del proceso
Ls,f = Calor latente de solidificación o fusión = 80 cal/gr
Lv,c = Calor Latente de vaporización o condensación = 540
cal/gr
Lv = calor latente de vaporización del cuerpo humano =580
cal/gr
5. TRANSFERENCIA DE CALOR
Los procesos físicos por los que se produce la transferencia
de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso,
que también implica el movimiento de materia, se denomina
convección. La conducción requiere contacto físico entre
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los cuerpos o las partes de un cuerpo que intercambian calor,
pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en
contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se
produce a través del movimiento de un líquido o un gas en
contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
donde : K = Conductividad del material
para músculo animal y grasa K = 5x10-5 kcal/s.m.ºk
B.- POR CONVECCION.- Se produce cuando una sustancia
baña a un cuerpo de superficie “A”.
H = qA∆T
donde: q = Constante de transmisión de calor por convección
para el hombre desnudo:
q = 1.7 x 10-3 Kcal/s.m2
C.- Por RADIACION.- Se produce cuando un cuerpo entrega
calor por radiación desde una superficie de área A y a una T
se determina con :
H = AeσT 4
σ = cons tan te de Boltzmann = 5.67 x10 −8 W / m 2 K 4 =1,36 x10 −11 Kcal / m 2 k 4
e = Emisividad de la sup erficie.
Dilatación de los cuerpos
A.- POR CONDUCCION.- Si un cuerpo de área “A” esta en
contacto con otro y presenta una diferencia de temperaturas
∆t = t1 − t2 a lo largo de una longitud L la tasa de transporte de
calor desde el extremo de alta temperatura hasta el extremo
de baja temperatura por conducción es :
Dilatación, aumento de tamaño de los materiales, a menudo
por efecto del aumento de temperatura. Los diferentes
materiales aumentan más o menos de tamaño, y los sólidos,
líquidos y gases se comportan de modo distinto.
H = − KA ∆Lt
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Dilatación sólidos.- Los sólidos al calentarse, experimentan
tres clases de dilataciones: en longitud o lineal, en superficie o
superficial y en volumen o cúbica.
a)
Dilatación Lineal.- Es el aumento de longitud que
experimentan los cuerpos por efecto del calor. La
Dilatación lineal se demuestra con el perímetro de
cuadrante que se basa en la dilatación de una
varilla metálica que va fija en unos de los
extremos de un soporte; al calentarse la varilla se
alarga y mueve la aguja hacia la derecha
marcando en un cuadrante. Cuando la varilla se
enfría el agua vuelve a su primera posición.
∆L = α L0 ∆T
∆L: Variación de longitud
α : Coeficiente de dilatación
L0: Longitud inicial
∆T: Variación de Tº
b)
Dilatación Superficial.- Es el aumento superficial
que experimenta un cuerpo por accion del calor.
∆S = β S0 ∆T
∆S: Variación de la superficie
β : Coeficiente de dilatación
S0: Superficie inicial
∆T: Variación de Tº
β : 2α
c)
Dilatación Cúbica.- El volumen de un cuerpo
aumenta cuando este se calienta, la dilatación
volumétrica o cúbica se evidencia por medio del
anillo de Gravesande.
∆V = T V0 ∆T
∆V: Variación de volúmen
T : Coeficiente de dilatcion cúbica
V0: Volumen Inicial
∆T: Variación de Tº
T : 3α
Dilatación Líquida.- Para los líquidos, el coeficiente de
dilatación cúbica (cambio porcentual de volumen para un
determinado aumento de la temperatura) también puede
encontrarse en tablas y se pueden hacer cálculos similares.
Los termómetros comunes utilizan la dilatación de un líquido
por ejemplo, mercurio o alcohol en un tubo muy fino (capilar)
calibrado para medir el cambio de temperatura.
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Dilatación térmica de los gases.- Es muy grande en
comparación con la de sólidos y líquidos, y sigue la llamada
ley de Charles y Gay-Lussac. Esta ley afirma que, a presión
constante, el volumen de un gas ideal (un ente teórico que se
aproxima al comportamiento de los gases reales) es
proporcional a su temperatura absoluta. Otra forma de
expresarla es que por cada aumento de temperatura de 1 ºC,
el volumen de un gas aumenta en una cantidad
aproximadamente igual a 1/273 de su volumen a 0 ºC. Por
tanto, si se calienta de 0 ºC a 273 ºC, duplicaría su volumen.
PROBLEMAS
1.- La temperatura de una persona antes de ingresar a una
cámara de hielo es de 100ºF y después de salir de ella es
98.6ºF. ¿Qué cantidad de Calor habrá perdido si su peso
corporales de 80 kg?
2.- Una persona ingiere 200 gramos de crema de helados que
se encuentra a -15ºC al mismo que se le atribuye un calor
latente de fusión de 50cal/gr ¿Cuánto calor absorbe la masa
helada si después de ser ingerida toma la temperatura del
cuerpo?
Calor y temperatura
La gráfica representa el cambio de temperatura que se
produce al suministrar calor al agua (a 1 atmósfera de
presión). A 0 °C y 100 °C se le puede suministrar calor sin
cambiar su temperatura. Este ‘calor latente’ rompe los enlaces
que mantienen unidas las moléculas, pero no aumenta su
energía cinética. Para vaporizar un gramo de agua hace falta
aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo.
Esa diferencia se refleja en las distintas longitudes de las
partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las líneas
inclinadas representan el número de grados de aumento de
temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo
de agua. El 'calor específico' del agua es de 4.185,5 julios por
kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5 julios de
energía para aumentar en un grado la temperatura de un
kilogramo de agua.
3.-Una persona cuya superficie mide 1.8 m2 lleva un abrigo
de 0.01 m de espesor, de conductividad térmica de
10−5 Kcal / s.m.º K
A.- Si la temperatura de la piel es de 34ºC y
el exterior del abrigo se halla a -10º ¿Cuál es la tasa de
perdida de calor?, b.- ¿se halla adecuadamente vestido la
persona? Explique.
4.- Un estudiante, un día de verano desea tomar una
limonada a 288ºK, suponiendo que dispone un vaso Pirex con
600 mlit. de este líquido a temperatura ambiente de 89,6ºF.
¿Qué cantidad de hielo debe agregarse para lograr su deseo?
Considere 200 gr la masa del vaso con Ce = 1.5 cal/grºC.
5.- Una persona desnuda de área superficial 1.8 m2 y
temperatura cutánea de 33ºC, se halla en una habitación a
10ºC. suponga e = 0.85 a).- ¿Cuánto calor irradia por
segundo dicha persona?, b).- ¿Cuál es la pérdida neta de
calor de dicha persona por radiación?
Ing. Magno Cuba A.
6.- Un varón desnudo en una playa un día resplandeciente
recibiendo radiación solar a razón de 480 kcal/hr, si el área de
la superficie efectiva del hombre es 0.90 m2 y la temperatura
cutánea es de 32ºC, sabiendo que la temperatura del medio
ambiente es de 30ºC. a).- ¿Cuál es la energía neta ganada
por radiación en cada hora, b).- Si hay un viento de 4 m/s,
encuentre la pérdida de energía por convección por hora si se
cumple : q =10.45 − V + 10 4
Ing. Magno Cuba A.