Apunte Unidad 1

h
ALUMNO:
AUTORA:
Prof. Ma. Laura Sanchez
Fisicoquímica 3ro ES
Energía térmica
La energía
Lectura de las páginas 12 – 13 – 14 y 15 del libro de texto.
Cuestionario:
1. ¿Qué es la energía cinética?
2. Si un tren y un auto se mueven a la misma velocidad, cuál tendrá más energía
cinética, por qué?
3. Si voy en mi automóvil a 40 Km/h, y duplico mi velocidad a 80 Km/h, se duplicará la
energía cinética, por qué?
4. En qué unidades se mide la energía cinética?
5. ¿Qué es la energía potencial gravitatoria?
6. De qué factores depende la energía potencial gravitatoria?
7. ¿Qué es la energía potencial elástica?
8. Dar dos ejemplos de cuerpos elásticos
9. ¿Qué es la energía potencial eléctrica?
10. Un camión se queda sin frenos en lo alto de una montaña, explicar qué tipo de
energías posee y de qué manera éstas irán aumentando o disminuyendo mientras el mismo cae.
11. ¿Qué tipo de energía tiene el agua acumulada en un embalse de una represa
hidroeléctrica?
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Energía térmica
Energía Térmica
Temperatura
A menudo solemos confundir calor con temperatura, cuando decimos “hoy hace calor” , ó
“el helado está frío” nos estamos refiriendo a sensaciones térmicas que son imprecisas porque
dependen de la persona que las perciba y además de otras sensaciones previas, por ejemplo si
caminamos de noche en la arena, cuando nuestros pies toquen el agua la notarán tibia, en
cambio si caminamos por la arena caliente del día cuando tocamos el agua con los pies la
notaremos fría aunque la temperatura del agua sea la misma.
Nosotros ya estudiamos a los átomos y a las moléculas y sabemos que éstas se
encuentran en continuo movimiento. Definiremos a la temperatura de un cuerpo como la medida
de la energía cinética (de movimiento) media de las moléculas que componen un cuerpo. De esta
manera, los cuerpos cuyas moléculas vibran, rotan o se mueven con mayor velocidad poseen
mayor temperatura.
El instrumento que se utiliza para medir la temperatura de un cuerpo se llama
termómetro, existen en la actualidad distintos tipos de termómetros, los más comunes consisten
en un tubo de vidrio cerrado con una columna capilar de mercurio en su interior, éstos se basan
en la propiedad de la dilatación de sólidos y líquidos, ya que al aumentar la temperatura el
mercurio se dilata más que el vidrio por lo tanto puede observarse su longitud en una escala
graduada del vidrio.
Existen distintas escalas de temperatura, el físico Anders Celsius propuso al punto de
fusión y al punto de ebullición del agua como valores de referencia y les asignó 0° y 100°
respectivamente, y luego dividió este intervalo en 100 partes iguales, a cada una de ellas se las
denomina grado Celsius.
Gabriel Fahrenheit
propuso otra escala termométrica, asignándole 32° y 212° a los
puntos de fusión y ebullición del agua respectivamente, quedando este intervalo dividido en 180
partes iguales denominadas grados Fahrenheit.
Lord Kelvin propuso una escala termométrica teniendo en cuenta deducciones teóricas
en las que se demostraba que -273 °C era la temperatura más baja posible, entonces asignó a
este valor el cero de su escala, denominado “cero absoluto”. Su escala al igual que la Celsius es
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una escala centígrada, por lo que el punto de fusión del agua corresponde a 273 °K y el punto de
ebullición del agua corresponde a 373 °K.
Conversión de escalas termométricas Para pasar una temperatura de escala Kelvin a Celsius o viceversa, al ser las dos
escalas centígradas sólo hay que restar 273° o sumar 273° respectivamente en cada uno de los
casos.
Ejemplos:
30 ° C = 30 + 273 = 303 °K
280 °K = 280 – 273 = 7 °C
Para pasar una temperatura de escala Fahrenheit a Celsius y viceversa hay que tener en
cuenta que en el intervalo donde hay 180 °F, corresponden en la escala Celsius a 100 °C, por lo
tanto 1 °C = 1,8 °F , además hay que tener en cuenta que para el 0 °C corresponde 32 °F,
entonces si pasamos de °F a °C deberemos realizar la siguiente operación
° C = (°F – 32) / 1,8
Para pasar de Celsius a Fahrenheit deberemos realizar la ecuación inversa:
°F = (°C x 1,8) + 32
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Ejemplos:
50 °F = (50 – 32) / 1,8 = 18 / 1,8 = 10 °C
20 °C = (20 x 1,8) + 32 = 36 + 32 = 68 °F
Actividad de investigación (trabajo grupal) Investigar qué tipos de termómetros existen, elegir tres de ellos, preparar una exposición oral con láminas, imágenes, etc. para explicar cómo funciona (Cada integrante del grupo debe explicar uno). Actividad 2 Pasar a °C las siguientes temperaturas:
41 °F
297 °K
59 °F
284 °K
104 °F
323 °K
140 °F
Pasar a °F las siguientes temperaturas
30 °C
363 °K
25°C
308 °K
2 °C
317 °K
87 °C
Pasar a °K las siguientes temperaturas
22 °C
95 °F
85 °C
149 °F
66 °C
86 °F
55 °C
Calor
Ya hemos definido a la temperatura, también hemos aprendido a medirla y además
hemos dicho que no es lo mismo que el calor.
Si tenemos un recipiente con agua que se encuentra a 10 °C y dentro de éste
introducimos un cuerpo de hierro que se encuentra a 100 °C observaremos que el agua comienza
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a aumentar su temperatura hasta un valor determinado. En el momento en el que la temperatura
del agua deja de aumentar y permanece constante decimos que ha alcanzado el “equilibrio
térmico”. Debemos de tener en cuenta que si tengo el doble de cantidad de agua con la misma
cantidad de hierro el equilibrio térmico será una temperatura menor. (Imaginemos un clavo de
hierro caliente sumergido en un vaso de agua y el mismo clavo sumergido en el océano … la
temperatura de equilibrio claramente no será la misma)
Se ha producido una transferencia de energía del cuerpo más caliente, en este caso el
hierro hacia el más frío, en este caso el agua.
Esta energía que se transfiere como consecuencia de una diferencia de temperatura se
denomina cantidad de Calor, se la indica con la letra Q y se mide en calorías.
Una caloría es la cantidad de calor que debe entregarse a un gramo de agua pura para
que pase de 14,5 °C a 15,5 °C, se abrevia Cal, y su relación con el Joule, otra unidad de energía
estudiada es: 1 Cal = 4,186 Joules
Es importante entender que dos cuerpos pueden tener la misma temperatura, sin
embargo tener distinta cantidad de calor, por ejemplo: si tengo un vaso de agua a 100 °C o si
tengo una pileta de natación llena de agua a 100 °C tendré en ambos casos la misma
temperatura sin embargo con la pileta de natación podré por ejemplo derretir una barra de hielo y
con el vaso no, ya que la cantidad de calor del vaso no alcanza.
Calor específico Si entregamos una cantidad de calor a una sustancia, ésta experimenta un aumento en
su temperatura. Si entregamos a la misma cantidad de sustancia el doble de cantidad de calor,
entonces experimentará el doble de aumento de temperatura. Dicho en vocabulario matemático:
“en masas iguales de una misma sustancia la cantidad de calor es directamente proporcional a la
variación de la temperatura”
Si tengo el doble de masa de una misma sustancia, necesito el doble de cantidad de
calor para provocarle el mismo aumento de temperatura, o sea que “la cantidad de calor
necesaria para producir una misma variación de temperatura es directamente proporcional a la
masa de sustancia”
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Energía térmica
Cuando dos magnitudes son directamente proporcionales sabemos que su cociente nos
da una constante, entonces:
Esta constante recibe el nombre de “calor específico” y depende de la naturaleza de la
sustancia, se le asigna la letra “c” y se mide en cal/g °C.
Entonces:
El calor específico del agua es 1 Cal/ g °C , esto significa que un gramo de agua necesita
ganar una caloría para aumentar su temperatura en un °C.
El hierro tiene un calor específico de 0,115 Cal / g °C , esto significa que un gramo de
hierro necesita ganar 0,115 Calorías para aumentar su temperatura en un °C.
¿Cuántas calorías necesitarán 100 g de hierro para aumentar su temperatura de 20°C a
50 °C?
Actividad 3 a. Se entregan 1302 Cal a una cantidad de aluminio, y se observa que su temperatura
aumenta de 50°C a 80 °C ¿Cuál es la masa del aluminio? C= 0,217 Cal/ g °C
b. ¿Cuántas calorías tendrá que ceder un cuerpo de 400 gr de acero ( c = 0,11 Cal / g°C)
para que su temperatura pase de 100 °C a 40 °C?
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c. Un cuerpo de 300 gr necesita 1200 Cal para aumentar su temperatura de 25°C a 70°C
¿Cuál es su calor específico?
d. Un cuerpo de 100 g de hierro (C= 0,115 cal/ g°C) que se encuentra a 10°C absorbe 500
Cal, cuál es su temperatura final?
e. ¿Cuántas calorías necesitará un trozo de 450 g de vidrio (C=0,2 cal/g °C) para que su
temperatura sufra un aumento de 68 °F?
Calor y cambios de la materia Cuando entregamos calor a un cuerpo, éste experimenta un aumento de temperatura, o
sea que sus moléculas comienzan a moverse más rápidamente.
Puede observarse
experimentalmente si colocamos un recipiente con agua sobre un mechero que la temperatura del
agua aumenta hasta que comienza su ebullición, si continuamos entregando energía la ebullición
continuará pero la temperatura se mantendrá constante mientras exista agua por evaporar. Lo
mismo sucede si ponemos hielo mientras se funde.
Al calor que el cuerpo absorbe y produce una variación de temperatura se lo llama calor
sensible y se calcula como ya sabemos mediante la ecuación Q = C . m . Δt
La cantidad de calor que suministramos pero no produce una variación de temperatura
sino un pasaje de estado se llama calor latente.
El calor latente de fusión del agua es Lf = 80 Cal/g , lo que significa que un gramo de
agua necesita absorber 80 Calorías para pasar del estado sólido al líquido.
El calor latente de ebullición del agua es Lv = 540 Cal/g, lo que significa que un gramo de
agua necesita absorber 540 Calorías para pasar del estado líquido al gaseoso.
Observamos que en una misma cantidad de agua se necesita más energía para pasar
del estado líquido al gaseoso que para pasar del sólido al líquido.
La cantidad de energía que debemos entregarle a una cierta cantidad de sustancia para
que cambie de estado se calculará:
Ejemplo:
¿Qué cantidad de calor se necesita para que 400 gr de hielo se fundan totalmente?
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Actividad 4 a) ¿Cuántos gramos de agua a 100 °C se evaporarán con 1000 Cal?
b) Si tengo 200 gr de hielo a 0°C y le entrego 20000 Cal, logrará fundirse totalmente?
¿Cuál será su temperatura final?
c) ¿Qué cantidad de calor hay que entregar a 100 gr de hielo que se encuentra a 0°C
para que llegue a ser vapor de agua a 120 °C?
Equivalente mecánico del calor Leemos la página 20 del libro de textos.
¿Qué fue lo que demostró James Prescott Joule?
Dar algún ejemplo de la vida cotidiana donde algún tipo de energía se transforme en
energía térmica.
¿Cuál es la equivalencia entre el Joule y la Caloría?
Problema-ejemplo
Un cuerpo que pesa 400 N se encuentra a 50 m de altura, en el caso de que caiga y
choque contra el suelo, cuál será el valor de la energía térmica liberada? Si esta energía es
totalmente absorbida por 500 g de agua, cuál será su variación de temperatura?
Solución:
Epg = p . h
Epg = 400 N * 50 m
Epg = 20000 J -------- La energía térmica liberada es 20000 J
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Energía térmica
4,18 Joule --- 1 cal
20000 Joule ---- x cal
El calor absorbido por el agua es 4784,69 Cal
Q = c . m . Δt
Δt = Q / (c . m)
Δt = 4784,69 cal / ( 1 cal/g°C . 500 g)
Δt = 9,56 °C
Intercambio de calor Ya hemos dicho en este capítulo que el calor es una forma de energía que se transmite
de los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura hasta que se alcanza un
equilibrio térmico.
La propagación del calor puede darse a través de tres formas:
Propagación por conducción : si acercamos un cuerpo a una fuente calorífica, las
moléculas próximas a ésta comenzarán a aumentar su energía cinética, o sea su movimiento y
chocarán a las moléculas cercanas y éstas a las siguientes, de esta manera se irá propagando el
calor a lo largo del cuerpo. Esta forma se produce fundamentalmente en los sólidos.
Propagación por convección : si colocamos un recipiente con agua sobre el fuego,
ocurre que el agua que se encuentra en contacto con el fondo del recipiente recibe el calor de la
fuente, sus moléculas se mueven más rápidamente y adquieren menor densidad, por lo tanto
ascienden sobre el resto del agua que se encuentra más fría. De esta manera se generan
corrientes ascendentes y descendentes que hacen que el calor se propague más rápidamente.
Esta forma se produce en líquidos y gases.
Propagación por radiación : el calor puede pasar de un cuerpo más caliente hacia otro
más frío aunque entre ellos no existan moléculas que lo propaguen, éste es el ejemplo del sol,
cuya energía nos llega a través del vacío en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la
velocidad de la luz.
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Ejemplos de propagación del calor en una casa:
Actividad ­ Preguntas y problemas integradores de la unidad 1 (Debe utilizarse el cuadro de calores latentes de la página 24)
1. Responder la actividad 1 de la página 19 del libro de texto.
2.Qué relación existe entre el calor específico de una sustancia y sus uniones
intermoleculares (pág. 23 del libro de texto)
3. ¿Qué diferencia existe entre el calor sensible y el calor latente?
4. ¿Cuántas calorías ceden 400 gr de hierro (0,115 Cal / g °C ) que pasan de 100 °C a
20°C? ¿Esas calorías alcanzan para calentar 200 gr de agua de 20°C a 50°C?¿Cuál sería la
temperatura final del agua?
5. ¿Cuántos gramos de agua captan la misma cantidad de calorías para pasar de 20°C a
50°C que 200 gr de aluminio (C= 0,217 Cal/ g °C) para la misma variación de temperatura?
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6. 400 gr de hielo se encuentran a -20°C, sabiendo que el punto de fusión del agua es a
los 0°C, que el calor latente de fusión es de 80 Cal/g, indicar cuántas calorías serán necesarias
para que la temperatura final sea de 40°C.
7. 600 gr de Cobre se encuentran a 80°C y ceden 2790 Calorías, cuál es su temperatura
final?
8. Una sustancia que se encuentra a 80°C debe ceder 1200 Cal para que su temperatura
llegue a 20°C, si la masa de la sustancia es 100 gr, calcular su calor específico .
9. Sabiendo que el punto de ebullición del alcohol es a los 78°C, que el calor latente de
vaporización es de 206 Cal/g, indicar si tengo 100 gr de alcohol a 20°C y quiero llevarlo a 120°C,
cuántas calorías necesito (C alcohol = 0,6 Cal/gºC).
10. ¿Cuántos gramos de hielo se funden con 1000 Cal?
11. ¿Cuántos gramos de vidrio pasan de 20°C a 100°C con 1000 Cal?
12. 100 gr de agua y 100 gr de aceite se encuentran a 20°C, el agua llega a los 50°C,
qué temperatura final tendrá el aceite si captó la misma cantidad de calorías que el agua?
13.
400gr de alcohol se encuentran a 60°C, si se le entregan 1000Cal, cuál será su
temperatura final?
14.Realizar todas las actividades de la página 27 del libro de texto.
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