Modulo de calometria

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FSICA SEGUNDO MEDIO

GUA DE TRABAJO

IVN ZAMORA FIGUEROA

Objetivos:1.- Distinguir la diferencia entre calor y temperatura

2.- Conocer expresiones matemticas de calorimetra

3.- Transformaciones de Termmetros y sus escalas.

4.- Distinguir los conceptos de temperatura y calor, su relacin con la energa, las propiedades de los materiales y artefactos de uso cotidiano en relacin a estas magnitudes.

Contenidos:Calor y temperatura.

Habilidades:Indagacin, formulacin de hiptesis

Nombre del estudiante:

Fecha:

Mdulo de calorimetra.

I. Temperatura:

Las diferentes teoras formuladas a travs del tiempo para explicar el calor y los fenmenos que origina en los cuerpos han permitido llegar a la conclusin de que ste es una de las diversas formas en que se manifiesta la energa en el universo. La energa calrica total de un cuerpo corresponde a la suma de la energa cintica y potencial de sus tomos. De acuerdo a esto llamaremos calor a la energa calrica que un cuerpo cede o absorbe en un tiempo determinado.

Temperatura y modelo microscpico de la materia Para diferenciar los diversos estados trmicos, segn nuestro sentido del tacto, empleamos los trminos fro, tibio y caliente, de acuerdo a nuestra temperatura corporal promedio. Sin embargo, esas percepciones resultan bastante relativas a la hora de preguntarnos qu pasara si nuestra temperatura corporal fuera mucho mayor o menor. Para evitar este problemas de subjetividad y apreciar con mayor exactitud estas diferencias entre los cuerpos, se recurre a la temperatura. La temperatura es aquella magnitud fsica que permite asegurar si dos o mas sistemas se encuentran o no en equilibrio trmico, lo cual da cuenta de una medida de la mayor o menor agitacin de las molculas o tomos que constituyen un cuerpo. Cuanto mayor sea la temperatura de una sustancia, tanto mayor ser la energa cintica de sus molculas, Recprocamente cuando la temperatura de una sustancia disminuye, la agitacin de sus molculas se reduce.

1.1 Medicin de la temperatura

Equilibrio trmico

Mediante el sentido del tacto podemos percibir si un cuerpo es el mas caliente o el ms fri. Supongamos que tuvisemos dos cuerpos con distinta temperatura, uno en contacto con el otro y lejos de influencias externas. Podra comprobarse que el cuerpo ms caliente se ira enfriando, mientras que el mas fri se ira calentando. Despus de un cierto tiempo se notaria, empleando el tacto que los cuerpo alcanza una misma temperatura. A partir de este momento, la temperatura de los cuerpos no sufrir alteraciones, es decir, llegaran a una situacin final denominada estado de equilibrio trmico

Siempre que dos o ms sustancias a diferente temperatura se ponen en contacto, aisladas de influencias externas, se producen una transferencia de energa calrica desde mayor temperatura a menor temperatura; cediendo energa el cual el quien absorbe energa aumenta su temperatura.

Termmetros

Como dijimos, la comparacin de temperatura de los cuerpos por medio del tacto slo proporciona una idea cualitativa de su equilibrio trmico. Para que la temperatura pueda considerarse una magnitud fsica es necesario medirla y para ella se necesita cuantificarla.

Esta medicin de la temperatura se hace con los llamados termmetros. En cada uno de sus diferentes tipos, se utiliza la variacin de una cierta caracterstica (longitud, volumen, calor) en una determinada sustancia (liquido, slido, etc) como consecuencia de un cambio de la temperatura. As por ejemplo hay termmetros basados en los cambios que la variacin de temperatura produce en la longitud de una varilla metlica, o bien, el volumen de un gas o en el color de un slido muy caliente.

Pirmetrico ptico: la temperatura del objeto (un horno, por ejemplo ) se obtiene comparando el color de la llama con el filamento de una lmpara elctrica.

Termmetro metlico: el calentamiento hace que un espiral bimetlico calibrado previamente se curve, moviendo la aguja que seala el valor de la temperatura.

Termmetro de resistencia elctrica: Algunos termmetros de este tipo usan semiconductores (por ejemplo el germanio). Son los ms recomendados para medir temperaturas muy bajas.

Termmetro de termopar: de uso frecuente en las industrias para registros continuos y control de temperatura. Se basan en la medida de voltaje existente en las uniones de cables metlicos o conexiones de naturaleza diferentes, las que depende de las temperaturas de las uniones.

Termmetros magnticos: se sustentan en la medicin de las propiedades magnticas de determinados materiales que varan la temperatura. Se los utiliza para medir temperaturas menores a 1 kelvin

Termmetros acsticos: el principio en que se sustenta el funcionamiento de estos aparatos es una variacin de la velocidad del sonido o de ultrasonido de acuerdo con la temperatura. Se utiliza para temperaturas bajas de 2 K a 40 K

Termmetro de liquido: en este termmetro las variaciones de la temperatura producen dilataciones o contracciones del liquido termomtrico, haciendo subir o bajar dicha columna. As, a cada altura de la columna podemos asignarle un numero, el cual corresponde a la temperatura que determin dicha altura.

El lquido que ms se emplea en este tipo de termmetros es el de mercurio. Algunos termmetros ms baratos utilizan un alcohol coloreado, con rango de 110 C y 78 C correspondiente a sus respectivo puntos de solidificacin y ebullicin.

Entre los lquidos, el mercurio es estimado universalmente como el liquido termomtrico por excelencia, debido a las siguientes caractersticas:

a. Sus puntos lmites bastantes separados (-39 C y 357 C a presin atmosfrica del nivel del mar) determinan un amplio margen de temperaturas medibles suficientes para los usos corrientes

b. Su dilatacin es bastante regular, lo que favorece la precisin del instrumento

c. Posee una baja capacidad calrica, por lo que basta una pequea cantidad de calor para que su temperatura se eleve en forma rpida y apreciable, dando gran sensibilidad al instrumento

d. Es fcil de obtener qumicamente.

e. No moja el vidrio, por lo cual no influye la capilaridad del tubo.

El termmetro mdico o clnico de mercurio slo puede medir temperatura mximas. Esto se debe a que presenta en la salida del bulbo una pequea estrangulacin que hace que el mercurio pueda subir por el capilar pero no regresar, por lo que se requiere agitarlo para que el liquido baje.

Al poner el termmetro clnico en contacto con nuestro cuerpo, el mercurio se dilata a la transferencia de energa. Esta dilatacin se traduce en la ascensin de la columna de mercurio por el capilar. La dilatacin del mercurio se detendr cuando alcance el equilibrio trmico con nuestro cuerpo marcando as nuestra temperatura.

1.2 Escalas Termomtricas. Para graduar un termmetro se consideran como puntos de referencia dos temperaturas arbitrarias y fciles de alcanzar con precisin, llamados puntos fijos. Segn los puntos fijos adoptados, los termmetros resultan graduados en diferentes escalas termomtricas o de temperatura.

Por tratarse de asignaciones arbitrarias, en la construccin de determinada escala termomtrica se adoptan ciertas convenciones. A travs de los aos fueron surgiendo y aplicndose varias escalas distintas en diferentes pases. Naturalmente, esta diversidad de escalas traa consigo una serie de inconvenientes en el trabajo cientfico. Para solucionar estas dificultades, los fsicos sugirieron la adopcin de una escala nica, basada en convenciones internacionales.

Escala Celsius: en esta escala Celsius asigna como punto fijo inferior a la temperatura normal de fusin del hielo dndole el valor 0. su punto fijo superior corresponde a la temperatura normal de ebullicin del agua, a la que le asign el valor 100. al dividir este intervalo de temperaturas en 100 partes iguales, cada divisin corresponda a una variacin de temperatura de un grado centgrado o Celsius (1 C). La graduacin puede continuar ms all de sus puntos fijos.

Escala Kelvin: otra escala empleada universalmente, sobre todo en los medios cientficos, fue propuesta por el fsico ingls Lord Kelvin, a la cual se le ha dado el nombre de escala Kelvin o absoluta, y corresponde a la unidad fundamental de medicin en el sistema internacional.

La idea de proponer esta escala surgi de las discusiones relacionadas con las temperaturas mxima y mnima que puede alcanzar un elemento. Se comprob que, tericamente, no hay lmite superior para la temperatura que pueda alcanzar un objeto, sin embargo se observa que existe un lmite natural cuando se intenta bajar su temperatura. Los estudios realizados en los grandes laboratorios de diversos pases ponen de manifiesto que es imposible obtener una temperatura inferior a 273 C, debido a que a esta temperatura las molculas que conforman la sustancia ya no tienen energa para ceder.Esta temperatura se denomina cero absoluto. En realidad, el cero absoluto es una temperatura lmite que no se puede alcanzar y, por ello, slo se han obtenido valores muy prximos a ella. Kelvin propuso como origen de su escala la temperatura del cero absoluto, y un intervalo unitario igual al intervalo de Celsius, es decir

T en 1 C = T en 1 K.

De modo general:

Escala Fahrenheit: esta escala es usada slo en algunos pases. Fue establecida por el fsico alemn Gabriel D. Fahrenheit. Su punto fijo inferior es la temperatura de una mezcla en partes iguales de hielo machacado y cloruro de amonio al que se le asigna el valor 0. Su punto fijo superior es el mismo de la escala Celsius; es decir, la temperatura normal de ebullicin del agua a la que le asign el valor 212. Comparativamente la temperatura normal de fusin del hielo corresponde a los 32 F. Si este intervalo se divide en 212 partes iguales, cada divisin representar una variacin de temperatura de un grado Fahrenheit (1 F). Un grado Fahrenheit es trmicamente menor que un grado Celsius, ya que en la escala Fahrenheit hay muchas mas divisiones para el mismo intervalo trmico.

A partir de la figura anterior se puede concluir que Ten C corresponde a (T-32) en F y que las 100 divisiones en C corresponden a las 180 divisiones en F. Por consiguiente:

Temperaturas caractersticas en F y C

ElementoTemperatura

CF

Punto de congelacin del agua032

Punto de ebullicin del agua 100212

(a presin normal)

Cuerpo Humano3798,6

Un da "caluroso" en el desierto80176

Un da "fro" en un glacial-40-40

Superficie del Sol6.00010.832

Ejemplos

1.- Transformar 25 C a K.

Solucin

2.- Transformar 4,22 K en C.

Solucin

3.- Transformar 37 C a F.

Solucin

4.- A qu temperatura un termmetro centgrado marca lo mismo que otro graduado en Fahrenheit?

Solucin

5.- A cuntos F corresponden 400 K?

Solucin

6.- La temperatura mnima en la ciudad de Concepcin fue de 48 F. A cuntos C corresponde?

Solucin

7.- La temperatura de un da cualquiera en Chilln fue 34 la mxima y 8 la mnima. El rango de temperatura en Celsius, Kelvin y Fahrenheit para ese da fue:

Solucin

Transformando individualmente las temperaturas se tiene:

TemperaturaCelsiusKelvinFahrenheit

Mnima8 C281 K46,4 F

Mxima34 C307 K92,2 F

26 C26 K46,8 F

1.3 Dilatacin Trmica. Un hecho muy conocido es que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura. Salvo algunas excepciones, todos los elementos, independientemente de que sean slidos, lquidos o gases, se dilatan con la temperatura.

Al aumentar la temperatura de una sustancia aumenta tambin el movimiento de las molculas que la componen, separndose ms entre s y provocando un incremento de volumen o dilatacin. En caso contrario, al disminuir la temperatura las molculas se juntan, reducindose el volumen del cuerpo o sustancia (contraccin).

La figura adjunta muestra un experimento sencillo que ilustra la dilatacin de un slido: a la temperatura ambiente, la esfera metlica A puede pasar con pequea holgura por el anillo B. Al calentar nicamente la esfera, se observa que ya no pasa por el anillo.

Debido a la elevacin de su temperatura, la esfera se dilat. Si se espera que su temperatura vuelva a su valor original, la esfera se contraer y volver a pasar por el anillo.

El efecto de la variacin de energa cintica en el volumen de los materiales tiene numerosas aplicaciones prcticas. Por ejemplo:

los rieles de la lnea del tren se instalan por tramos, con una pequea separacin entre ellos. As se deja espacio para la dilatacin del metal en das muy calurosos, evitando que se tuerzan o levanten (lo mismo sucede con el pavimento en calles y carreteras).

Para que un puente pueda dilatarse libremente sin que produzcan daos estructurales, su estructura se apoya sobre rodillos. Si no se tomaran estas precauciones las estructuras se daaran, pues los esfuerzos internos que soportan los cuerpos sometidos a una variacin brusca de temperatura son determinantes en su comportamiento mecnico si no se lo deja dilatarse o contraerse libremente.

2.- Materiales y Calor.

Como sabemos, el calor es una forma de energa, entonces debe medirse en unidades energticas, como el Joule (S.I.) y el Erg (C.G.S.). Pero en la prctica actual se emplea an otra unidad de calor, muy antigua, la cual recibe el nombre de calora .

Por definicin, 1 es la cantidad de calor que debe transmitirse a una masa de 1 de agua destilada a 18 C para que su temperatura se eleve en 1 C.

Equivalentemente:

2.1 Capacidad Calrica y Calor especfico.

As como dos recipientes no representan la misma capacidad para contener cierto volumen, tampoco todos los materiales tienen la misma capacidad para absorber calor, lo que significa que hay algunos que son ms difciles de calentar que otros. La capacidad para absorber calor se conoce con el nombre de capacidad calrica (C) y se expresa como la relacin entre el calor absorbido o cedido (Q) por un sistema y la variacin de temperatura que ste experimenta (T) .

Ahora bien, al aplicar la misma cantidad de calor (Q) a dos cuerpos o sustancias iguales pero de distinta masa, la mayor variacin de temperatura la experimentar la masa menor. Para incorporar esta variable se define el concepto de calor especfico (c). El calor especfico corresponde a su capacidad calrica por unidad de masa y es caracterstico para cada sustancia.

o bien

Tabla de calores especficos de algunas sustancias comunes a 20 C y

1 de presin.

Sustancia

Aceite0,47

Acero0,12

Agua1,00

Aire0,24

Alcohol0,66

Aluminio0,21

Arena0,16

Carbn0,16

Cobre0,09

Hielo0,53

Hierro0,11

Latn0,094

Madera0,42

Mercurio0,033

Mrmol0,21

Oro0,03

Plata0,06

Plomo0,031

Vidrio0,19

Ejemplo:

Un bloque de hierro de 0,4 kg se calienta desde los 22 C hasta los 52 C cunto calor absorbi el bloque?

Solucin:

2.2 principio de Regnault.

Si ponemos en contacto un cuerpo caliente con otro a menor temperatura observamos que al cabo de cierto tiempo, que el cuerpo caliente decrece su temperatura, mientras que el fri la eleva hasta que ambos alcancen una misma temperatura llamada equilibrio trmico. Este hecho unido al principio de conservacin de la energa permite formular este principio de Regnault o de las mezclas calricas en trminos de: si dos o mas cuerpos de diferente temperatura se mezclan, el calor absorbido por los cuerpos de menor temperatura es equivalente al calor cedido por los cuerpos de mayor temperatura, hasta alcanzar la temperatura de equilibrio. esto es:

Ejemplo:

Una bola de hierro con una masa de se calienta en un horno y se deja caer en de agua contenidos en un vaso de cobre de a 20 C; la temperatura final obtenida fue de 80 C

a) qu cantidad de calor fue absorbida por el agua?

b) qu cantidad de calor fue absorbida por el vaso de cobre?

c) cul es la temperatura del horno?

Solucin:

a)

b)

c)

2.3 Transmisin del calor.

Conduccin: si colocamos una cuchara en una taza con caf caliente o en un plato de sopa al cabo de unos instantes tocamos la parte no sumergida, encontramos que ella se ha calentado considerablemente. Lo mismo sucede si acercamos una barra metlica a la llama de un mechero: luego de unos instantes toda la barra se encontrar a una mayor temperatura.

Esto se debe a que los tomos o molculas del extremo calentado, adquieren una mayor energa de agitacin. Parte de esta energa se transfiere a las partculas de la regin mas prxima a dicho extremo y, por lo tanto, la temperatura de esta regin tambin aumenta.

Este proceso contina a lo largo de la barra. Despus de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibir una elevacin de temperatura.

En otras palabras, se produce una transmisin de calor a lo largo de la barra, la que continuar mientras exista una diferencia de temperatura entre ambos extremos. Esta transmisin es debida a la agitacin de los tomos de la barra y transferida sucesivamente de uno a otro tomo, sin que estas partculas sufran ninguna traslacin en el interior del cuerpo. Este proceso de transmisin de calor se denomina conduccin trmica. Esta forma de propagacin del calor ocurre en las sustancias slidas.

Dependiendo de la constitucin atmica de una sustancia, la agitacin trmica podr transmitirse de uno a otro tomo con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia sea buena o mala conductora. Los metales son buenos conductores trmicos, su conductividad se aprovecha en la fabricacin de numerosos utensilios domsticos, especialmente ollas.

En general los fluidos son buenos aislantes trmicos. El aire, por ejemplo, es buen aislante debido a su baja conductividad trmica. 3el calor es energa que se transfiere en un determinado tiempo, por lo cual es una magnitud fsica, al diferencia del fro que sencillamente corresponde a la ausencia de calor. Estrictamente hablando los conductores o aislantes no transfieren el fro. Slo el calor se transfiere.

SustanciaConductividad Trmica

Aluminio0,057

Cobre0,095

Hierro0,011

Oro0,075

Plata0,102

Plomo0,0083

Aire0,0000056

Helio0,000033

Hidrgeno0,0000411

Nitrgeno0,0000056

Oxgeno0,0000057

Agua0,0001433

Asbestos0,0000191

Hormign0,0001911

Diamante0,5493550

Hielo0,0004777

Hule0,0000478

Madera0,0000191

Vidrio0,0002

Conveccin: corresponde a la transmisin del calor en los lquidos y gases por el movimiento de sus molculas, en forma de corrientes clidas ascendentes y fras descendentes.

Esta forma de propagacin res exclusiva de los fluidos, en los que sus molculas se encuentran bastante separadas entre s, los que les permite moverse y trasladarse desde u lugar a otro. As se explica el tiraje de las chimeneas, la calefaccin de las habitaciones mediante estufas de cualquier tipo, la formacin de los vientos, algunos tipos caractersticos de las brisas marinas, las terrales y el aire acondicionado.

Durante los das calurosos se produce una suave brisa desde el mar hacia tierra firme. sta es causada porque la tierra al tener menor capacidad calrica que el agua, se calienta emitiendo calor ms a prisa. As, la tierra calienta la capa de aire sobre ella, la que comienza a ascender. El espacio que es dejado por esta capa es llenado por aire fro proveniente del ocano.

Durante las noches el sentido de la corriente convectiva se invierte debido a que el agua se enfra ms lentamente que la superficie de la tierra. De ese modo, el aire ms clido sobre el mar asciende y el aire ms fro proveniente de tierra firme ocupa su lugar.

En los refrigeradores, tambin se observa la formacin de corrientes de conveccin. En la parte superior las capas de aire que se encuentra en contacto con el congelador, le ceden calor por conduccin. Debido a esto el aire de esta regin se vuelve ms denso y se dirige hacia la parte inferior del refrigerador, mientras las capas de aire que ah se encuentran se desplazan hacia arriba. Esta circulacin de aire causada por la conveccin hace que la temperatura sea homognea en todos los puntos al interior del refrigerador.

Radiacin: un termmetro, situado en el exterior de la campana, indicar una elevacin de temperatura, mostrando que existe transmisin de calor a travs del vaco que hay entre el cuerpo caliente y el exterior. La transmisin no pudo haberse efectuado por conduccin ni por conveccin, pues estos procesos slo pueden ocurrir cuando hay un medio material a travs del cual se pueda transferir el calor. En este caso, la transmisin de calor se lleva a cabo mediante un proceso llamado radiacin trmica. El calor que no llega del Sol se debe a este mismo proceso, ya que entre l y la Tierra existe un medio vaco. Lo mismo ocurre con el calor que proviene de una lmpara.

Luego, el calor puede transmitirse a grandes distancias sin calentar en forma apreciable el espacio intermedio y se produce mediante ondas clricas semejantes a la de radio o electromagnticas.

Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones trmicas que, cuando son absorbidas por algn otro cuerpo, provocan en l un aumento de temperatura.

De manera general, el calor que recibe una persona cuando est cerca de un cuerpo caliente llega hasta ella por los tres procesos: conduccin, conveccin y radiacin. Cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo caliente, tanto mayor ser la cantidad transmitida por radiacin, como sucede cuando uno se halla cerca de un horno o de una fogata. Cuando la energa radiante choca con un cuerpo, no es absorbida completamente, gran parte se refleja y el resto se transmite a travs del cuerpo.

Los cuerpos que absorben con facilidad, irradian tambin con facilidad por lo cual pasan a ser los mejores radiadores. Los buenos reflectores de la energa radiante, como los metales pulimentados, son malos radiadores puesto que absorben muy poco. El calor de las sustancias afectan su poder de absorcin, de modo que las superficies negras absorben calor mucho ms rpidamente que las blancas y son tambin mejores radiadores. sta es la razn por la cual un traje claro es mucho ms confortable que uno oscuro en el verano y al revs en el invierno.

2.4 Cambios de Estado (Fase).

Estados de la Materia: en la naturaleza, las sustancias se presentan en tres fases (o estados fsicos) diferentes, denominadas fase slida, fase lquida y fase gaseosa. La presin y la temperatura a las que una sustancia es sometida determinarn la fase en la cual pueda presentarse. As pues, el fierro, que en las condiciones ambientales se halla en estado slido, se podr volver lquido cuando su temperatura se eleve lo suficiente; el agua, que normalmente es lquida, podr convertirse en gas por elevacin de su temperatura o por reduccin de la presin a la que est sometida. Los diversos cambios de estado que pueden experimentar los cuerpos se sintetizan en el cuadro siguiente:

Fusin Ebullicin

Solidificacin Condensacin (vapores)

Licuacin (gases)

Sublimacin

Sabemos que la velocidad de agitacin molecular aumenta cuando sube la temperatura y disminuye cuando sta baja. Estas variaciones de velocidad implican tambin variaciones de aumento de la temperatura de un cuerpo, aumenta tambin gradualmente la fuerza de expansin, disminuyendo la de cohesin.

La energa cintica de las molculas, a su vez, originan variaciones de las fuerzas moleculares. Si medimos la temperatura a la cual se produce un determinado cambio de estado, para diversas sustancias, observamos que sta es caracterstica para cada sustancia y que permanece invariable durante el proceso de cambio, siempre que no cambie la presin. Esta temperatura se denomina punto de transformacin o punto crtico.

Agua0100 (a 1 atm)

Aluminio6602,467

Cloro-101-34,05

Cobre1.0832.567

Fren 12-29

Helio-272,2 (a ms de 25 atm)-268,9

Mercurio-39357

Oro1.0632.660

Oxgeno-218,4-182,96

Plomo327,31.750

Tungsteno3.4105.660

Calor Latente de Cambio de Fase. Se denomina calor latente de cambio de fase (L) a la cantidad de calor (Q) por unidad de masa (m) que debe ceder o extraer a una sustancia en su punto crtico para que cambie completamente de fase.

El signo (+) se utiliza cuando ha sido necesario suministrar calor a la sustancia para cambiar su fase, en cambio, cuando se ha debido extraer calor se usa el signo (-). En el S.I. su unidad de medida es , pero suele expresarse tambin en .

Leyes del Cambio de Fase.- A una determinada presin la temperatura a la que se produce el cambio de fase (punto crtico) tiene un valor bien determinado para cada sustancia.

- Si un slido se encuentra en su punto crtico es necesario proporcionarle calor para que se produzca su cambio de estado. La cantidad de calor que debe suministrrsele por unidad de masa corresponde al calor latente de cambio de fase, caracterstico de cada sustancia.

- El calor aplicado a un elemento en el punto crtico para cambiar su estado es el mismo que para revertirlo.

- Durante el cambio de fase la temperatura del elemento permanece constante. Esto significa que si un bloque de plomo est a 327 C, despus de la fusin el lquido que resulta tambin estar a 327 C.

Fusin: es el proceso de transformacin de la mayora de los slidos en lquido, por absorcin de calor. Todos los slidos se dilatan al fundirse, excepto el hielo, el hierro y el bismuto, que se contraen en lugar de dilatarse. Esto explica que el hielo, el hierro y el bismuto slidos floten en sus respectivos lquidos, ya que al contraerse con la fusin el lquido resulta ms denso que su respectivo slido. As 1.000 de hielo, al fundirse, dan slo 910 de agua.

La siguiente tabla presenta los calores latentes de fusin de algunas sustancias, por ejemplo, vemos que para el caso del plomo es de 5,8 . Esto significa que para fundir un bloque de plomo que se encuentra en su punto de fusin (327 C), debemos suministrarle 5,8 por cada gramo de masa del bloque.

SustanciaPunto de Fusin

( C)Calor de Fusin

(cal/g)

Agua080

Alcohol Etlico-11525

Azufre11913

Mercurio-392,8

Nitrgeno-2106,1

Plata96121

Platino1.77527

Plomo3275,8

Solidificacin: es el proceso de transformacin de un lquido en slido por desprendimiento de calor. De esta manera, si retiramos calor de un lquido su temperatura disminuye y cuando cierto calor se inicia la solidificacin. La experiencia indica que esta temperatura es la misma a la cual se produjo la fusin. Durante la solidificacin la temperatura permanece constante y el calor latente de solidificacin es igual al calor latente de fusin.

Vaporizacin: es un proceso lento de transformacin, sin turbulencia visible, de un lquido en vapor, por absorcin de calor. Cuando este proceso se produce rpida y turbulentamente en forma de burbujas que agitan toda la masa del lquido, se habla de Ebullicin. Durante la ebullicin, a pesar de que se suministra calor al lquido, su temperatura permanece constante, y el vapor que se va formando est a la misma temperatura del lquido.

SustanciaPunto de vaporacin

(C)Calor de vaporacin

(cal/g)

Agua100540

Alcohol Etlico78204

Bromo5944

Helio-2696

Mercurio35765

Nitrgeno-19648

Yodo18424

Ejemplos.1. Si a un trozo de hielo a 273 K se le suministran 5 10, qu cantidad de hielo se derrite?

Solucin

2. Qu cantidad de calor se debe transferir a 100 de hielo a 0 C para que se transforme en agua a 20 C?

Solucin

3. Cunto calor se debe suministrar a 100 de hielo a 10 C para convertirlos en vapor de agua a 110 C en condiciones normales?

Solucin

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

= 1.000

El calor total que se debe suministrar es la suma de todos los calores independientemente calculados:

Al variar la presin ejercida sobre una sustancia la temperatura a la cual cambia de fase sufre alteraciones. As, cuando decimos que el hielo se funde a 0 C y el agua entra en ebullicin a 100 C, advertimos siempre que ello se verifica a la presin de 1 (presin atmosfrica a nivel del mar).

Cuando una sustancia slida se derrite generalmente aumenta de volumen. En las sustancias que presentan este comportamiento se puede ver que un incremento en la presin ejercida sobre ellas ocasiona un aumento en su temperatura de fusin y, por ende, en su temperatura de solidificacin.

As el plomo, que aumenta de volumen al fundirse, tiene su punto de fusin en 327 C a 1 . A una presin inferior a 1 , el plomo se fundir bajo los 327 C.

Son muy pocas las sustancias, entre ellas el agua, que no siguen el comportamiento general y que disminuyen de volumen al fundirse. Por tanto, el volumen de determinada masa de agua aumenta cuando se transforma en hielo. A ello se debe que una botella llena de agua y colocada en un congelador, se rompa cuando el agua se solidifica.

El hielo se funde a 0 C nicamente si la presin ejercida sobre l es de 1 . Si aumentamos esta presin se derretir a una temperatura inferior a 0 C y, recprocamente, a una presin inferior a 1 su punto de fusin ser superior a 0 C.

El hielo que est directamente bajo los cuchillos de los patines de un patinador (a presin muy grande) se funde instantneamente, a pesar de que su temperatura es inferior a 0 C, permitiendo que se deslice fcilmente sobre la pista. Una vez que el patinador se aleja, la presin regresa al valor de 1 y el agua vuelve al estado slido, pues su temperatura es inferior a 0 C.

Cualquier sustancia al vaporizarse aumenta de volumen. Por este motivo, un incremento en la presin ocasiona un aumento en la temperatura de ebullicin, pues una presin ms elevada tiende a dificultar la vaporacin.

Este hecho se emplea en las ollas a presin. En una olla abierta, como la presin es de 1 el agua entra en ebullicin a 100 C y su temperatura no sobrepasa esta valor. En una olla a presin los vapores formados que no pueden escapar oprimen la superficie del agua y la presin total puede llegar a casi 2 . Por ello, el agua slo entrar en ebullicin alrededor de los 120 C, haciendo que los alimentos se cuezan ms rpido.

Naturalmente, una disminucin en la presin produce un descenso en la temperatura de ebullicin. Es un hecho bien sabido que en lugares situados sobre el nivel del mar, donde la presin atmosfrica es menor que 76 , el agua entra en ebullicin a una temperatura inferior a 100 C.

Altitud sobre el nivel

del mar

Presin atmosfrica

Punto de ebullicin

del agua (C)

076100

5007298

1.0007697

1.5006495

2.0006093

2.5005692

9.0002470

En lo alto del Monte Everest, por ejemplo, cuya altitud es de 8.800 y la presin atmosfrica es de slo 26

EMBED Equation.3 el agua entra en ebullicin a 72 C.

Entonces, el tratar de cocinar al modo usual en lo alto del monte Everest, sin contar con una olla de presin, se convierte en una tarea muy difcil o casi imposible con algunos alimentos. Al reducir gradualmente la presin sobre la superficie del agua, su temperatura de ebullicin se vuelve cada vez menor y puede obtenerse que sta hierva incluso a temperaturas muy bajas. Por ejemplo, si con una bomba de vaco redujsemos la presin a 17 , podramos hacer hervir el agua a 20 C.

Licuefaccin o Condensacin: es el proceso de transformacin de un gas o vapor no saturante en lquido.

Para lograr la licuacin de un gas es necesario convertirlo primero en un vapor saturado, lo cual se consigue comprimindolo, enfrindolo o combinando ambos procedimientos.

La licuefaccin o condensacin es un proceso inverso al de la vaporizacin, en que el vapor deber liberar calor para liquidificarse.

A temperaturas extremadamente bajas los cuerpos adquieren propiedades extraas. Por ejemplo, el caucho y la carne se tornan quebradizos al endurecerse sumergido en aire lquido; el plomo se vuelve elstico; el mercurio se solidifica, etc.

Sublimacin: en condiciones apropiadas de temperatura y presin, una sustancia puede pasar directamente del estado slido al estado de vapor, sin pasar por el lquido. Esta transformacin directa de slido a vapor se llama Sublimacin.

Si colocamos una bola de naftalina en el interior de un armario observamos que pasa al estado de vapor sin antes pasar por el lquido. Este hecho tambin se produce con l anhdrido carbnico slido y, por ello, se denomina comnmente hielo seco.

Aunque sean pocas las sustancias que se subliman en condiciones ambientales, podemos observar que este fenmeno puede producirse con cualquier sustancia. Ello depende de la temperatura y de la presin a la que est sometido.

2.5 Equivalente mecnico del calor.

En la poca de los griegos los fenmenos relacionados con el calor se explicaban con la Teora del flogisto, la que planteaba que en los cuerpos inflamables y en aquellos de fcil combustin estaba presente una sustancia llamada flogisto, que escapaba cuando se produca la combustin. Esta teora lleg a su fin despus de una serie de experimentos que establecieron el papel del oxgeno en la combustin. Posteriormente, siguieron dos nuevas hiptesis sobre el calor, que estuvieron vigentes desde la poca del Renacimiento hasta comienzos del siglo XIX. Una de ellas consideraba el calor como un fluido llamado Calrico que pasa de los cuerpos calientes a los fros. La segunda hiptesis planteaba que el origen del calor estara en el movimiento vibratorio de las partculas de los cuerpos.

Otro descubrimiento importante fue que el calor y trabajo son modos de energa que se intercambian en un sistema. el Equivalente mecnico del calor relaciona los conceptos del trabajo y calor a travs de un solo valor. El mdico alemn Robert Mayer, en 1842, demostr tericamente la equivalencia entre el trabajo efectuado y el calor producido por l. Su contemporneo ingls James Joule verific experimentalmente esta equivalencia usando un calormetro provisto de paletas, que podan girar al caer un peso P de cierta altura h.

Las pesas caen desde diferentes alturas moviendo las paletas que estn en un calormetro con agua. De esta forma, la energa potencial gravitatoria de las pesas se transforman en trabajo mecnico. El movimiento de las paletas eleva la temperatura del agua, lo que se mide con el termmetro.

Joule propuso que el calor absorbido por el agua provena del trabajo mecnico realizado por las paletas. l calcul la cantidad de caloras absorbidas por el agua en forma de calor y la cantidad de trabajo mecnico realizado por las paletas, encontrando que es necesario realizar un trabajo de 4,186 para elevar en 1 C la temperatura de 1de agua. A esta cantidad de trabajo se llam caloras .

Esta relacin se conoce como equivalente mecnico del calor que corresponde al nmero de unidades de trabajo que son capaces de producir 1.

La transmisin del calor en trabajo se aprovecha en diversas formas, por ejemplo:

a. En nuestro propio cuerpo, mediante al combustin de los alimentos. Se ha comprobado que en un 25% de la energa calrica de los alimentos se transforma en energa muscular.

b. En las mquinas a vapor se utiliza la fuerza expansiva del vapor de agua a elevada presin que se genera en las calderas por la combustin de carbn u otros combustibles.

En las mquinas de combustin interna se aplica la fuerza expansiva de los gases que provienen de la combustin de ciertas sustancias en el interior del cilindro.

Tambin existen mquinas trmicas que realizan el proceso inverso, transformando el trabajo en calor, como los refrigeradores, el aire acondicionado y los sistemas de calefaccin. Durante muchos aos se ha tratado de fabricar una mquina trmica ideal que sea capaz de convertir todo el calor disponible en trabajo u otro tipo de energa. La relacin entre la cantidad de calor disponible por la mquina trmica y la energa til o trabajo que es capaz de producir se conoce con el nombre de rendimiento y se expresa por la expresin:

Donde

T: temperatura medida en grados Kelvin.

Podemos estimar el rendimiento del cuerpo humano, por ejemplo, considerando la energa consumida en los alimentos y la energa til producida en el trabajo muscular.

El valor aproximado del rendimiento del cuerpo humano es un 20%, aunque vara con las diferentes actividades.

Ejemplos

1. Una joven pareja se sobrepas una tarde, comiendo demasiado helado y pastel. Puesto que ambos consumieron 500 Caloras de ms, desean compensarlo mediante una cantidad equivalente de trabajo subiendo escaleras. Si cada uno tiene una masa de 60, qu altura total de escalera deber subir cada uno?

Solucin

h

2,09 10= 60 10 h

h = 3.483 .

Si logran subir est cantidad de metros, perdern el peso deseado.

2. Los vapores de la caldera en una mquina a vapor alcanzan a 180 C que son expulsados a la atmsfera a 100 C. Cul es el rendimiento mximo de esta mquina?

Solucin

EMBED Equation.3 2.6 Transformaciones de Energa y su conservacin.

El principio de conservacin de la energa establece que en un sistema aislado la energa antes de un proceso es igual en cantidad a la energa total despus del proceso o bien que la energa mecnica y calrica total de un sistema aislado permanece constante.

a. Esto implica que cuando un cuerpo cede energa a otro, la energa perdida por el primero es igual a la energa ganada por le segundo.

El siguiente esquema muestra algunos mecanismos que realizan transformaciones de energa y cmo stas generan calor.

El principio de conservacin de la energa es aplicable a todos los procesos que ocurren en el Universo. Por ejemplo, la energa del agua en movimiento se transforma energa elctrica para el alumbrado pblico y el funcionamiento de los electrodomsticos, entre otros usos. La energa transformada es menos til que la consecuencia de la transformacin de la energa se llama degradacin de la energa. Aunque la energa tenga el mismo valor cuantitativo antes y despus de ser transformada, de acuerdo al principio de conservacin, su valor cualitativo es diferente, pues se relaciona con su utilidad para le ser humano.

2.7 Los Recursos Energticos. El petrleo, el gas natural y el carbn son los principales puntos de energa utilizados hoy por le ser humano. todos ellos son susceptibles de agotarse a mediano o largo plazo (fuentes no renovables de energa), si se contina con el actual ritmo de extraccin y consumo. Por esta razn, existe la necesidad de sustituir estas fuentes energticas. En este contexto se ha pensado en el aprovechamiento de las llamadas energas alternativas o no convencionales, denominados as porque su uso no es habitual, tales como la energa solar, la energa geotrmica, la energa elica y la energa de las mareas.

2.8 Roce y calor.

Roce y calor: cada vez que frotamos las manos o dos superficies cualquiera entre s se produce friccin o roce entre ellos. A medida que la friccin aumenta comienza a elevarse paulatinamente la temperatura de ambas superficies en contacto. En muchos casos dicho fenmeno es deseable y puede producir beneficios para el ser humano, como el caso anterior. Sin embargo, en otras oportunidades dicho proceso resulta poco grato, como es la visita al dentista, cuando ste frota la fresa de la mquina con la superficie de alguno de los dientes. Aqu se produce un gran aumento de la temperatura, lo que se trata de evitar lanzando pequeos chorros de agua sobre el rea de contacto.

La explicacin se encuentra a nivel microscpico y molecular. Cada una de las superficies que se pone en contacto est formada por tomos. Son stos y en particular sus electrones los que interactan entre s, chocando y produciendo interacciones de tipo electromagntico. La energa as disipada se manifiesta en calor. Lo anterior tambin explica lo que sucede cada vez que se enciende una ampolleta, se aplican los frenos en las bicicletas o automviles y en los viajes espaciales, y cuando las naves ingresan a la atmsfera, en donde el roce genera calor.

ACTIVIDADES:

1. Qu cantidad de calor ceden 50 kg de hierro al enfriarse desde 36 C hasta 4 C?

A) 226 Kcal

B) 210 Kcal

C) 200 Kcal

D) 176 Kcal

E) 126 Kcal

2. Un trozo de hielo de 50g se introduce en 500 cc de agua a 20 C. Cul es la temperatura final aproximada del equilibrio, suponiendo que no hay intercambio de calor entre el sistema y el ambiente?

A) 1 C B)3 C C)6 C D)9 C E)11 C

3. Qu cantidad de calor se necesita para transformarse 300g a 75 C a 30 C en vapor a 130 C?

A) 350 Kcal B)225 Kcal C)200 Kcal D)175 Kcal E)120 Kcal

4. En un calormetro de latn de 200 g de agua a 10 C y un trozo de plata de 50g a 75 C. Cul es la temperatura aproximada de la mezcla?

A) 1 C B)5 C C)11 C D)15 C E)21 C

5. El punto de ebullicin del tungsteno es 5.900 C. esto equivale a:

I. 6.174 K II. 1.9.125 K III. 10.652 F

Es(son) verdadera(s)

A) Slo I B)Slo II C)Slo III D)Slo I y III E)Slo II y III

6. La conveccin es una forma de transmisin del calor que tiene especial importancia en :

I. La forma de calentar los lquidos II. La forma de los vientos y las brisas

III. La formacin de las corrientes marinas

Es(son) verdadera(s)

A) Slo I B)Slo II C)Slo III D)Todas ellas E)Ninguna de ellas

7. La cantidad de calor que cede 1g de sustancia al pasar del estado lquido al estado slido, a temperatura constante, se denomina:

A) Calor de condensacin B)Calor de sublimacin C)Calor de fusin

D) Calor de solidificacin E)Calor de vaporacin

8. La temperatura de un cuerpo es:

A) Un estado de equilibrio trmico determinado

B) Un concepto que permite diferenciar sus estados trmicos

C) La cantidad de calor que ste posee en un momentos dado

D) Una caracterstica que permite medir un grado calrico

E) La forma de energa ms comn en la naturaleza

9. El calor es considerado una forma de energa:

I. Que se genera por transformacin de otras formas de energa

II. Que tiene su origen en el movimiento y que se desarrolla

III. Que se genera solamente por combustin

De estas afirmaciones es(son) verdadera(s)

A) Slo I B)Slo II C)Slo III D)Slo II y III E)Slo I y II

10. El calor que transmite una estufa es lo fros das de invierno se propaga por:

I. Conduccin II. Conveccin III. Radiacin

Es(son) verdadera(s)

A) Slo I B)Slo II C)Slo III D)I y III E)II y III

Respuestas correctas

Nmero de preguntaAlternativa

1A

2E

3B

4C

5D

6D

7D

8B

9E

10B

Nota: no se debe confundir la temperatura de un cuerpo con la cantidad de calor que la determina, ni menos con su energa calrica total asociada. Si el agua contenida en un recipiente representa la cantidad de calor que un cuerpo alcanza que un cuerpo cede o absorbe en un instante dado el nivel que est alcanza en el recipiente representara a la temperatura.

Nota: no se puede decir que un cuerpo tiene calor o que la temperatura es la medida del calor en un cuerpo solo debe emplearse para designar la energa en transicin, es decir, la que se trasfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La transferencia de calor hacia un cuerpo origina un aumento de la energa de agitacin de sus molculas y atomos.

EMBED Equation.3

Celsius Kelvin Fahrenheit

Punto de

Ebullicin 100 C 373 K 212 F

normal del agua 100 divisiones 100 divisiones 100 divisiones

(=100 C) (=180 K) (=180 F)

Punto de fusin 0 C 273 K 32 F

normal del agua

Cero absoluto -273 C 0 K 460 F

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Tabla de materiales segn conductividad trmica

Metales a 25 C

Gases a 20 C

No metales

Nota: los gases estn en condiciones normales de T y presin

Slido

Lquido

Gaseoso

Sustancias

Fusin (C)

Ebullicin (C)

Temperatura

EMBED Equation.3

Puntos de fusin y calores de fusin (a 1 atm de presin)

Puntos de ebullicin y calores de vaporizacin (a 1 atm de presin)

Hielo

-10 C

Hielo

0 C

Hielo

0 C

Agua

0 C

Agua

0 C

Agua

100 C

Agua

100 C

Vapor

100 C

Vapor

100 C

Vapor

110 C

Punto de ebullicin del agua a diversas altitudes

Dnamo

Ampolletas

Mecnica

Elctrica

Qumica

Luminosa

Estufa

Pilas

Calrica

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