Tema 2: Calor y cambio de fase

Física: Fluidos y termodinámica

Unidad 2: Calorimetría
Tema 2: Calor y cambios de fase

Unidad 2: Calorimetría

Unidad 2: Calorimetría

​• La transferencia de energía que se da exclusivamente por la diferencia de temperatura se denomina transferencia de calor --> la energía así transferida se llama Calor.

• La unidad de medida de cantidad de calor antiguamente (aunque aún se usa) es la Caloría (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5°C a 15,5°C

Multiple Choice

¿Qué es calor?

• Es energía transferida.

• Es energía interna.

• Es igual a la temperatura.

• Es energía cinética.

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​• Sir James Joule (1818-1889), estudió calentamiento del agua por agitación vigorosa --> agregar energía mediante trabajo.

El aumento de energía es directamente proporcional al trabajo realizado.

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​Lo que encontró Joule fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15,5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios.

1 k[cal]=1000 [cal ]=4186 [J ]

1 [cal ]=4,186 [J]

La unidad térmica Británica (Btu en inglés) se refiere a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua (masa) de 63°F a 64°F.

[Btu ]=778 [ft lb ]=252[cal ]=1055 [J ]

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Es posible lograr este cambio de temperatura poniendo agua en contacto con un cuerpo más caliente, por lo tanto, está interacción también debe implicar un intercambio de energía

Notación: calor se denota con Q

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La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa m de cierto material de T₁ a T₂ es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura ∆T=T₂-T₁ y a la masa m del material.

La cantidad de calor requerida también depende de la naturaleza del material.

Unidad 2: Calorimetría

Unidad 2: Calorimetría

Se necesita 4186 J de calor para elevar la temperatura de 1kg de agua 1 C°, pero sólo 910 J para elevar en 1 C° la temperatura de 1kg de aluminio.

Q ∝ m

Q ∝ ∆T

Q=c m ∆T

Donde c es calor específico del material.

Q>0 entra calor y aumenta temperatura

Q<0 sale calor y disminuye temperatura

El calor específico del agua es aproximadamente 4186 [J/ kg K] o 1 [cal/g °C]

Multiple Choice

¿Cuánto calor se necesita para que 200g de cobre cambie de temperatura de 20°C a 110°C? El calor específico es 387 J/kg °C

• 12060 J

• 37620 J

• 75348 J

• 6966 J

Multiple Choice

¿Cuánto calor se libera para que 400 g de hierro cambie de temperatura de 90°C a -10°C? El calor específico es 448 J/kg °C

• -2580 J

• -42710 J

• -17920 J

• -7960 J

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Equilibrio térmico
Si un sistema está en equilibrio térmico significa que el calor total del sistema es cero.

Q_sistema=0

Si se tiene n elementos interactuando en un sistema aislado entonces

Q₁+Q₂+Q₃+…+Q_n=0

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​Ejemplos

1- La temperatura de una barra de plata aumenta en 10 °C cuando absorbe 1,23x10³ J de energía por calor. Determine el calor específico de la plata si la masa de la barra es 525 g.

2- Una herradura de hierro de 1,5 kg se encuentra a 600°C (c_hierro=448 J /kg°C) y le sumerge en una piscina que contiene 20 kg de agua a 25°C (c_H2O=4186 J /kg°C). ¿Cuál es la temperatura cuando se logra el equilibrio térmico?

Multiple Choice

En un recipiente aislado de masa despreciable se mescla 40 g de hielo a 0°C y 150g de agua a 70°C ¿Cuál es la temperatura final? El calor específico del agua 4186 J/kg °C

• 0°C

• 38,5°C

• 46,2°C

• 18,2°C

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Cambios de fase
Usamos el término fase para describir un estado específico de la materia como sólido, líquido o gas (estados de la materia).

Una transición de una fase a otra es un cambio de fase.

Para una presión dada los cambios de fase ocurren a una temperatura acompañado por una absorción o emisión de calor y cambio de volumen y densidad.

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Fusión

Sólido a líquido

Q=mL_f

L_f=3.34×10⁵ [J/kg]=79.6 [cal/g]

Proceso reversible Q=±mL_f

Solidificación --> quitar calor al material

Fusión --> entregar calor al material

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Vaporización

Líquido a gaseoso

Q=mL_v

L_v=2.256×10⁶  [J/kg]=539 [cal/g]

Proceso reversible Q=±mL_v

Condensación --> quitar calor al material

Vaporización --> entregar calor al material

Unidad 2: Calorimetría

Unidad 2: Calorimetría

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​Ejemplo

3- Un calorímetro de cobre de 0.446 kg contiene 0.095 kg de hielo. El sistema está inicialmente a 0°C.

a) Si se añade 0.035 kg de vapor de agua a 100°C a 1 atm de presión, ¿Qué temperatura final alcanza el calorímetro y su contenido?

b) a la temperatura final, ¿Cuántos kilogramos habrá de hielo, cuantos de agua líquida y cuántos de vapor?