ppt fisica : materiales y calor

Capítulo 2: Materiales y el calor

Materiales y el calor

El calor

Calorimetría

Equilibrio térmico

Propagación del calor

Roce, calor y percepción térmica

Cambios de estado


El calor

Naturaleza del calor

• El calor es una de las diversas formas en que se manifiesta la energía en el universo.

• Teoría Termodinámica “el calor es una forma de energía que tiene su origen en el movimiento de las moléculas de los cuerpos y que se desarrolla por la fricción y choque entre las mismas de tal manera que los fenómenos calóricos son causados por las trasformaciones de los distintos tipos de energía (por ejemplo mecánica) en energía calórica o por simple transmisión de ella”

• Así cuando un cuerpo se calienta es porque sus moléculas han aumentado la frecuencia de los choques entre ellas como consecuencia de un incremento en su velocidad.


• La sensación de frío o calor que experimentamos al tocar un cuerpo se debe a que sus partículas se mueven con menor o mayor velocidad que las nuestras respectivamente.

• “La energía calórica depende de la velocidad de agitación molecular y por lo tanto de la energía cinética de las moléculas de los cuerpos”

• De lo anterior resulta : “la energía calórica de un cuerpo corresponde a la suma total de la energía cinética de cada una de sus moléculas”

• Y de acuerdo con esto llamaremos “calor a la energía calórica que un cuerpo absorbe o cede en un instante dado”


Calorimetría

• Unidades de energía calórica• Capacidad calórico y calor

específico• Principio de mezclas calóricos • Ejercicios

Calorimetría

Capacidad calórica

Calor específico


Calorimetría

Unidades de energía calórica

• La Calorimetría consiste en la cuantificación de la energía calórico o calor que se cede o absorbe en un instante dado.

• Como el calor es una manifestación o forma de energía la podemos expresar en las unidades mecánicas de energía: joule J , sistema MKSerg, sistema CGS

• Sin embargo, la unidad de uso más corriente en lo que se refiere a calor es la caloría y la kilocaloría o Caloría, cuya definición se basa en la variación de

temperatura que experimenta un cuerpo.“ Una caloría es la cantidad de calor que absorbida o cedida por un gramo de agua destilada a presión normal hace variar su temperatura entre 14,5ºC y 15,5ºC”


“ Una Caloría o kilocaloría es la cantidad de calor que absorbida o cedida por un kilogramo de agua destilada a presión normal hace variar su temperatura entre 14,5ºC y 15,5ºC”

• Si designamos por cal a la caloría y por Cal a la kilocaloría se tiene:

1Cal = 1kcal = 1000 cal


Capacidad calórica y calor específico

• Si varios recipientes alcanzan un mismo nivel de con diferentes cantidades de líquido observamos que tienen igual nivel pero diferente capacidad mecánica, del mismo modo si varios cuerpos varían su temperatura en un mismo numero de grados absorbiendo o cediendo distintas cantidades de calor diremos que tienen diferente capacidad calórica:

“Capacidad calórica de un cuerpo es la cantidad de calor que cedida o absorbida por éste, hace variar su temperatura en un grado celcius”

Dicho de otra forma:

“Capacidad calórica de un cuerpo es el cuociente entre la cantidad de calor cedida o absorbida por éste y la variación de temperatura que experimenta”


• Expresada en matemáticamente:

• Si la masa de un cuerpo es una unidad (un gramo, un kilogramo, etc) su capacidad calórica se denomina calor específico:

“ Calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que cedida o absorbida por una unidad de masa de dicha sustancia hace variar su temperatura en un grado celcius ”


• Si designamos por c al calor específico y por C a la capacidad calórica de un cuerpo de masa m, se tiene:

• Luego (1)

• Por lo que la cantidad de calor Q que un cuerpo de masa m absorbe al variar su temperatura en tº será:


• De (1) se concluye que la unidad de medida para el calor específico es cal/gºC

• De aquí una nueva definición:

“Calor específico de una sustancia es el cuociente entre la cantidad de calor cedida o absorbida por cada unidad de masa de dicha sustancia y la variación de temperatura que con ella experimenta”

• Problema: ¿Qué cantidad de calor absorbe un trozo de cobre de 300 g al elevar su temperatura desde 15 a 215 ºC si su calor específico es

0,093 cal/gºC?

resp: se requieren 5580 cal.


Principio de las mezclas calóricas

• Si ponemos en contacto un cuerpo caliente con un cuerpo frío observamos que después de un cierto tiempo ambos alcanzan una temperatura común, este hecho unido al principio de conservación de energía permite formular el “principio de las mezclas calóricas”:

“Si dos o más cuerpos de diferentes temperaturas se mezclan, el calor absorbido por los cuerpos fríos equivale al calor cedido por los cuerpos calientes,

quedando todos a una temperatura común.”

Q absorbido = Q cedido


Ejercicios resueltos

1) ¿Qué cantidad de calor necesita absorber un trozo de cobre cuya masa es 25g si se encuentra a una temperatura de 8ºC y se desea que alcance una temperatura final de 20ºC?


2) ¿Cuánto calor necesitan 250cc de agua para llegar a una temperatura de 100ºC,

es decir, para convertirse en vapor, si se encuentra a una temperatura de 20ºC?


3) ¿Cuánto calor necesitaría absorber un trozo de hielo de 420g para convertirse en un líquido de 20ºC si se encuentra a una temperatura de 20ºC?


4) ¿Qué cantidad de calor necesita un trozo de hierro cuya masa es de 731g si se

encuentra a una temperatura inicial de 10ºC y se desea que alcance una temperatura

final de 25ºC?


Ejercicios propuestos

1. ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 500 g de alcohol etílico en un vaso de vidrio de 100 g desde los 15ºC a los 40ºC ? R: 7975 cal

2. Calcule la temperatura final de una mezcla de 5 kg de agua a 80ºC y

1kg de agua a 20ºC. R: 70ºC

3. Determinar cuantas calorías suministrarán a 2kg de aluminio al enfriarse de 70ºC a 20ºC. R: 21.700 cal

4. ¿ A qué temperatura llegaría 1 g de una sustancia que estaba a 20ºC si sele suministran 12 cal, siendo su calor específico 0,03 cal/gºC?

R: 420ºCDatos: calores específicos en cal/gºC:

Agua 1,0

Alcohol 0,6

Vidrio 0,199

Aluminio 0,217

Equilibrio térmico

• La temperatura se definió anteriormente como “la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo” por lo tanto que dos cuerpos tengan la misma temperatura no implica que tengan la misma energía calórica.

• Supongamos que en un sistema térmicamente aislado (no hay perdida o disipación de calor) se ponen en contacto dos cuerpos A y B con diferentes temperaturas ºt A y ºt B respectivamente, donde ºt A es mayor que ºt B .

Equilibrio térmico

Temperatura de equilibrio

Equilibrio térmico

• Se dice entonces que los “dos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico cuando la temperatura de ambos cuerpos es la misma - temperatura de equilibrio, es decir, la energía cinética promedio de las partículas que forman cada uno de los cuerpos es la misma”

Equilibrio térmico

• De acuerdo al principio de mezclas calóricas, cuando ambos cuerpos A y B alcanzan el equilibrio térmico es porque un cuerpo A ha cedido calor y el cuerpo B lo ha absorbido de tal manera que se cumple:

QA = - QB (1)

• La variación de temperatura que ha experimentado el cuerpo A hasta alcanzar la temperatura de equilibrio ºt es:

ºtA = ºt - ºtA con QA

• La variación de temperatura que ha experimentado el cuerpo B hasta alcanzar la temperatura de equilibrio ºt es:

ºtB = ºt - ºtB con QB

Equilibrio térmico

• Reemplazando en (1) se tiene:

QA = - QB

mAcA ºtA = - mBcB ºtB

mAcA (ºt - ºtA) = - mBcB (ºt - ºtB)

mAcA (ºt - ºtA) = mBcB (ºtB - ºt)

Donde:

• mA y mB masa del cuerpo A y B respectivamente.

• cA, y cB calor específico del cuerpo A y B respectivamente.

Equilibrio térmico

Ejercicio propuesto

Se introduce una barra de metal de 100g, que inicialmente se encuentra a una temperatura de 90ºC, en 300g de agua a 10ºC. Si el valor del calor específico del metal es 0,5cal/gºC y el del agua es 1cal/gºC, ¿qué temperatura alcanzará el agua cuando se establezca el equilibrio térmico?

mMcM (ºt - ºtM) = - mAcA (ºt - ºtA)

100g 0,5cal/gºC (ºt – 90ºC) = - 300g 1cal/gºC (ºt – 10ºC)

50 (ºt – 90ºC) = - 300 (ºt – 10ºC)

(ºt – 90ºC) = - 300 (ºt – 10ºC) 50

ºt - 90ºC = 60ºC - 6 ºt 7ºt = 150ºC ºt = 150 ºC

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