el calor y la temperatura

EL CALOR
Y LA
TEMPERATURA
Prof.- Juan Sanmartín
4º Curso de E.S.O.
1
INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Pese a qque los cambios qque ppueden pproducirse en los sistemas son muyy variados,, el modo
en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el
calor y el trabajo.
`
Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren
en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a
menor Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico.
menor.
térmico
`
Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los
cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de
intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora.
El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el
calor y el trabajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj
, J))
= 1000 j)j). En el caso del calor también se utiliza calorías ((1 caloría= 4,18
2
EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA
`
Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más
energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas.
Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el
equilibrio térmico.
T1
T2
d d T1 > T2
donde
T
T
T=T
`
El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por
tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce
cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc…
`
La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o
disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las
distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan
más se pproduce un aumento de tamaño del cuerpo
p ((dilatación)) y si se agitan
g
menos una
disminución (contracción).
3
CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO
Calor y temperatura son conceptos diferente.
El calor es energía en movimiento,
movimiento es decir energía térmica transferida de un sistema que está
a mayor temperatura, a otro que está a menor.
La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene un
cuerpo o un sistema.
LLas moléculas
lé l que forman
f
t d los
todos
l cuerpos están
tá siempre
i
en movimiento.
i i t La
L temperatura
t
t nos
informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la
energía de todas sus partículas.
La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la
escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado
centígrado ((ºC)
C) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100
100ºC
C, es la temperatura de
ebullición del agua.
4
DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA.
TEMPERATURA LOS TERMOMETROS
El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en
desequilibrio térmico.
térmico El de mayor temperatura cede energía al otro.
otro Por tanto,
tanto el calor es
energía en transito y se mide en julios.
La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se
mide
id en kelvin,
k l i o en grados
d centígrados.
tí d
El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas.
Escalas termométricas:
`
Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y
eb llición Del agua
ebullición.
ag a a una
na atmósfera de presión y se les asigna valores
alores de 0 a 100.
100
`
Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La
escala se divide en 180 partes iguales.
`
Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la
temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este
punto se corresponde aproximadamente con – 273 ºC. La unidad de temperatura en el
S.I. es el Kelvin (K)
5
ESCALAS TERMOMÉTRICAS
6
Temperaturas
e pe a u as (U
(Unidades)
dades)
0ºC
-273
273ºC
C
212ºF
212
F
32ºF
-459,4
459 4ºF
F
K
100 unidades
100ºC
100
C
ºF
180 unidades
100 unidades
ºC
373 K
273 K
0K
En el gráfico vemos las tres escalas de
temperatura.
p
La ESCALA CENTÍGRADA toma como
referencia las temperaturas de fusión y
evaporación del agua en Condiciones
normales y les asigna 0ºC a la de fusión
f sión
y 100ºC a la de evaporación. Entre ellas
existirán 100 unidades.
La ESCALA FARENHEIT asigna
g a los
anteriores valores 32ºF y 212ºF
respectivamente y por lo tanto
tendremos 180 unidades entre ambas
temperaturas.
temperaturas
La ESCALA ABSOLUTA O KELVIN esta
basada en los problemas de valores
negativos
g
en las ecuaciones de ggases y
por lo tanto se busco el 0 absoluto
manteniendo la escala de la
CENTIGRADA que coincide con los 273ºC de esta.
esta
Transformaciones
ºC ↔ K
De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G.
Centígrados 273 unidades.
K =º C + 273
Ejemplo
¡OJO!
OJO! GRADOS CENTÍGRADOS,
CENTÍGRADOS GRADOS FARENHEIT
Y KELVIN, NO GRADOS KELVIN.
23º C → K
K = 23º C + 273 = 276K
− 134 º C → K
K = −134 º C + 273 = −139K
410K → ºC
ºC = 410K − 273 = 137ºC
200K → ºC
ºC = 200K − 273 = −73ºC
Transformaciones
º C ↔º F
ºF =
La transformación se complica al tener diferente escala. Tenemos
qque aplicar
p
las siguientes
g
formulas:
ºC ⋅180
+ 32
100
ºC =
100 ⋅ (º F − 32)
180
Ejemplo
25ºC → ºF
ºC ⋅180
25 ⋅180
+ 32 =
+ 32 = 77ºF
100
100
− 34ºC → ºF
ºF =
(
ºC ⋅180
− 34 ) ⋅180
ºF =
+ 32 =
+ 32 = −29,2ºF
100
100
54ºF → ºC
ºC =
100 ⋅ (ºF − 32 ) 100(54 − 32 )
=
= 12,2ºC
12 2ºC
180
180
Transformaciones
ºF ↔ K
ºF =
En este caso tenemos que pasar por Grados
Centígrados para la tranformación.
tranformación
ºC ⋅180
+ 32
100
K =º C + 273
ºC =
100 ⋅ (º F − 32)
180
Ejemplo
300k → ºF
º C = 300k − 273 = 27º C → ºF =
ºC ⋅180
27 ⋅180
+ 32 =
+ 32 = 80,6ºF
100
100
− 12º F → K
100 ⋅ (ºF − 32 ) 100(− 12 − 32 )
=
= −24,4ºC
C → K = −24,4º C + 273 = 248,6K
180
180
298K →º C
ºC
C=
ºC ⋅180
25 ⋅180
º C = 298k − 273 = 25º C → ºF =
+ 32 =
+ 32 = 77ºF
100
100
CALOR ESPECÍFICO
`
No todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, las mismas
cantidades de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del tipo de partícula
que la compone y de cómo se encuentran unidas. Así, para elevar 1 kelvin la temperatura
de un kilogramo de hierro se necesitan 458 Julios, mientras que 1 kilogramo de alcohol
requiere de 2450 Julios (estas cantidades se desprenden cuando la temperatura
di i
disminuye
1 kelvin).
k l i ) En
E base
b
a esta
t propiedad
i d d característica
t í ti de
d cada
d sustancia,
t i definimos
d fi i
el calor específico Ce.
`
Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía (Q) que hay
que proporcionar a 1 kg. de esta para elevar su temperatura 1 kelvin. Esto se expresa de
la siguiente manera
Cespecifico = Ce =
`
Q
msustancia ⋅ ∆T
Siendo
Si
d la
l variación
i ió de
d temperatura,
t
t
l temperatura
la
t
t final
fi l (o
( de
d equilibrio)
ilib i ) de
d la
l sustancia
t i
menos la inicial
∆T = Tfinal − Tinicial
11
CALORES ESPECÍFICOS
Sustancia
Calor específico
p
Agua (líquida)
4180
Hielo (Agua sólida)
2090
Vapor de agua
2090
Alcohol
2450
Al i i
Aluminio
899
Hierro
452
Cobre
385
Mercurio
138
Plata
234
Plomo
130
Oro
130
12
TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS
DE DIFERENTES SUSTANCIAS. Las
unidades son:
Julios
Kilogramo
g
⋅ Kelvin
J
Kg ⋅ K
CALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICA
Por lo tanto, la energía (Q) necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo calor
específico es Ce , del una temperatura inicial (Tinicial o T0) hasta una temperatura final o de
equilibrio (Tf ), viene dada por la siguiente expresión.
Q = m sustancia ⋅ C esustancia ⋅ (Tfinal − Tinicial )
De lo que podemos deducir que:
¾Si
Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor
temperatura y esta se eleva.
eleva
¾Si Tf
< T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura
y esta
t se reduce.
d
13
¾Si Tf
< T0 entonces Q < 0, el calor
es cedido por la sustancia que está
a mayor temperatura y esta se
reduce. Es, por ejemplo, el caso de
llos alimentos
li
t
en lla nevera que
disminuyen su temperatura al recibir
el calor de este.
Si Tf > T0 entonces Q > 0, el
calor es absorbido por la
sustancia que está a menor
temperatura y esta se eleva.
E por ejemplo,
Es,
j
l ell caso de
d los
l
alimentos en un horno que
aumentan su temperatura al
recibir el calor de este.
este
14
Q
PROBLEMAS DE CALOR
Intercambio de calor
En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no
existe intercambio
b de
d calor
l con ell exterior. Y,
Y por lo
l tanto, la
l energía
í
queda íntegramente en el sistema
15
Problema 01.- Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 50 litros de agua cuyas
temperaturas son 80 y 200C
VH 2O( caliente ) = 10l . ≈ mH 2O = 10kg.
VH 2O( fria ) = 50l . ≈ mH 2O = 50kg.
T0 = 80º C. = 353K
T0 = 20º C. = 293K
Ce = 4180 J
Ce = 4180 J
Kg ⋅ K
Kg ⋅ K
Buscamos la temperatura final o de equilibrio
Q H 2O( caliente ) + Q H 2O( fria ) = 0
La energía (Q) que cede el agua caliente, la
absorbe el agua fría y por lo tanto la suma de
ambas es cero. Tengamos en cuenta que
consideramos un sistema adiabático donde
no hay perdidas de calor al exterior.
mH2O( caliente ) ⋅ C eH O ⋅ (Tfinal − Tinicial ) + mH2O( fria ) ⋅ C eH O ⋅ (Tfinal − Tinicial ) = 0
2
16
2
Sustituimos los datos…
10kg ⋅ 4180 J
Kg ⋅ K
⋅ (Tf − 353 ) + 50kg ⋅ 4180 J
Kg ⋅ K
⋅ (Tf − 293 ) = 0
Operamos…
4180Tf − 1475540 + 209000Tf − 61237000 = 0
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
4180Tf + 209000Tf = 14755400 + 61237000
Tf =
17
1475540 + 61237000
= 294,2K = 21,2º C
4180 + 209000
Problema 02.- En un calorímetro que contiene 400 g de agua se introduce un trozo de metal de 50g
a 800C. La temperatura inicial del agua es de 10 ºC y la de equilibrio de la mezcla, 12 ºC. Calcular el
calor es-pecifico del metal. Se supone que el calorímetro no absorbe calor.
mmetal = 20g = 0,02kg.
mH 2O = 400g. = 0,4kg.
T0 = 80º C. = 353K
T0 = 10º C. = 283K
Cemetal = ?
Ce( H 2O ) = 4180 J
Kg ⋅ K
Tequilibrio
ilib i = Tf = 12º C. = 285K
Buscamos el calor específico del metal
Qmetal + QH2O = 0
mmetal ⋅ C emetal ⋅ (Tfinal − Tinicial ) + mH2O ⋅ C eH O ⋅ (Tfinal − Tinicial ) = 0
2
18
Sustituimos los datos…
0,05 ⋅ Cemetal ⋅ (285 − 353 ) + 0,4 ⋅ 4180 ⋅ (285 − 283 ) = 0
Operamos…
−68 ⋅ Cemetal + 167,2 = 0
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
167,2 = 68 ⋅ Cemetal
Cemetal =
19
167,2
= 2,45 J
Kg ⋅ K
68
Problema 03.- Una bañera contiene 50 litros de agua a 25 ºC. ¿Cuánto tiempo será preciso abrir el
grifo de agua caliente para que la temperatura final del agua sea 40 ºC?. Temperatura del agua
caliente: 80 ºC.; Caudal del grifo: 5 l/min.
mH 2O = ? .
VH 2O( fria ) = 50l . ≈ mH 2O = 50kg.
T0 = 80º C. = 353K
T0 = 25º C. = 298K
Ce = 4180 J
Ce = 4180 J
Kg ⋅ K
Kg ⋅ K
Tequilibrio = Tf = 40 º C. = 313K
Buscamos la temperatura final o de equilibrio
Q H 2O( caliente ) + Q H 2O( fria ) = 0
mH2O( caliente ) ⋅ C eH O ⋅ (Tfinal − Tinicial ) + mH2O( fria ) ⋅ C eH O ⋅ (Tfinal − Tinicial ) = 0
2
20
2
Sustituimos los datos…
mH 2O( caliente ) ⋅ 4180 J
Kg ⋅ K
⋅ (313 − 353 ) + 50kg ⋅ 4180 J
Kg ⋅ K
⋅ (313 − 298 ) = 0
Operamos…
167200 ⋅ mH 2O + 3135000 = 0
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
mH 2O =
3135000
= 18,75Kg ≈ 18,75l .
167200
V (volumen )
q(caudal ) =
⇒q=5 l
min
t (tiempo )
q=
21
V
V
18,75l .
⇒t = =
= 3,75 min = 3 min .45s.
t
q 5l
min .
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA
Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se
realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.
22
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA
Mientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes cantidades de energía a la
sustancia sin que varíe la temperatura.
Esto lo explica la Teoría Cinético Molecular T.C.M., la temperatura aumenta porque aumenta la
energía cinética media de las partículas que forman una sustancia.. En el caso de un sólido la
temperatura aumentará con el aumento de esta energía cinética, pero al llegar al punto de fusión,
los enlaces entre las partículas han de romperse,
romperse las partículas necesitan suficiente energía para
vencer las fuerzas atractivas que mantenían unido a la sustancia en su estado sólido, sin que
suponga un aumento de la agitación térmica y por lo tanto la Temperatura permanece constante.
En el caso del punto de ebullición, las partículas que en estado líquido aún conservan enlaces que
l mantienen
las
ti
unidas,
id
d b romper estos
deben
t enlaces
l
para conseguiri ell estado
t d gaseoso sin
i que
aumente la energía cinética media y por lo tanto su temperatura.
Definimos calor latente de fusión Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg.
kg de una sustancia
de estado sólido a estado líquido o viceversa (en este caso este calor será
negativo).Permaneciendo la temperatura constante.
Definimos calor latente de vaporización Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una
sustancia de estado líquido a estado gaseoso o viceversa (en este caso este calor será
negativo).Permaneciendo la temperatura constante.
23
CALORES LATENTES (kJ/kg.)
Sustancia
Lf
Lv
A
Agua
334 4
334,4
2257
Etanol
109
840
Mercurio
11,3
296
Plomo
24,7
858
Zinc
102
1768
Estos calores latentes están expresados
en kilojulios por kilogramo.
La energía térmica o calor (Q) en este
caso no depende de la temperatura, y por
lo tanto viene dada por la siguiente
expresión:
Q = m ⋅ L f/v
En el caso de que el cambio de estado sea de sólido a liquido (fusión) o viceversa (solidificación)
obtendremos la siguientes expresiones
Q fusión = m ⋅ L f
Q solificación = m ⋅ −L f
En el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversa
(condensación) obtendremos la siguientes expresiones
Q vaporizaci
p
ón = m ⋅ L v
24
Q condensaci ón = m ⋅ −L v
PROBLEMAS DE CALOR
Cambios de estado
En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no
existe intercambio
b de
d calor
l con ell exterior. Y,
Y por lo
l tanto, la
l energía
í
queda íntegramente en el sistema
25
Problema 04.- Si tengo 4l. de agua que acaban de hervir. ¿Qué cantidad de calor le tengo que
extraer para convertirla en hielo a –18ºC?
Debemos considerar todas las etapas que suceden en el proceso, ya que cada una
tiene una energía térmica diferente.
3
1
2
H 2 O vapor (100º C )  

→ H 2 O líquido (100º C)  

→ H 2 O líquido (0º C)  

→
Q
Q
Q
Q
Q
3
4


→ H 2 O sólido
(0º C)  

→ H 2 O sólido
18º C)
ólid (0
ólid ( − 18
La temperatura
p
siempre
p en Kelvin,, entonces…
3
1
2
H 2 O vapor (373K )  

→ H 2 O líquido (373K)  

→ H 2 O líquido (273K)  

→
Q
Q
Q
Q
3
4


→ H 2 O sólido (273K)  

→ H 2 O sólido ( 2 55K)
Una vez que tenemos definidas las etapas, procedemos a calcular el calor (Q) en
cada una de ellas, las suma de todas nos dará la energía del proceso.
26
Q
Calculamos los calores de cada etapa utilizando los calores específicos y latentes
de las tablas. En el caso de los calores latentes hemos de cambiarlos signos.
Q1(condensaci ón ) = mH 2O ⋅ −Lv = 4 ⋅ −2257000 J
kg
= −9028000 J
Q2 = mH 2O ⋅ C e (agua líquida ) ⋅ (Tf − T0 ) = 4kg ⋅ 4180 J
kg ⋅ K
Q3 (solidifica ción ) = mH 2O ⋅ −Lf = 4kg ⋅ −334400 J
= −1337600 J
J
Q 4 = mH 2O ⋅ C e (hielo
hi l ) ⋅ (Tf − T0 ) = 4 kg ⋅ 2090
kg
k ⋅K
kg
⋅ (273 − 373 )K = −1672000 J
⋅ (255 − 273 )K = −150480 J
Sumamos los calores para obtener la energía final
Q TOTAL = Q1 + Q 2 + Q 3 + Q 4
Q TOTAL = −9028000J − 1672000J − 1337600J − 150480J = −12188080J
EL SIGNO NEGATIVO SIGNIFICA QUE TENEMOS QUE EXTRAER CALOR
27
PROPAGACION DEL CALOR
`
`
`
El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación.
Laa co
conducción
ducc ó de
del ca
calor
o se pproduce
oduce ppreferentemente
e e e e e e cua
cuando
do laa eenergía
e g a se transmite
a s e a través
a és de cue
cuerpos
pos
sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmiten
esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo.
Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantes
del calor.
calor Por ejemplo,
ejemplo los metales son muy buenos conductores del calor,
calor sin embargo la madera,
madera el plástico
o el aire no son buenos conductores, son aislantes.
28
PROPAGACION DEL CALOR
`
`
La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven con
cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado
por las
l partículas
tí l de
d las
l zonas mas frías.
f í Así
A í se producen
d
unas corrientes
i t de
d gas o de
d líquido
lí id que ascienden
i d
y otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como
calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el
líquido de un recipiente, etc…
La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto
mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las
microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que
irradian las estrellas.
estrellas
29