TEMPERATURA Y CALOREscalas de temperaturaDilataciónCalorimetría Calor específicoCalor latente Transferencia de calor

TEMPERATURA Y CALOR

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa.

Escalas de temperatura

Las escalas de temperatura son:

Celsius o centígrada (ºC)

Fahrenheit (ºF) Rankine (ºR) Kelvin (K)

Escalas de temperatura

K−2735

=C5= F−32

9=R−492

9

Dilatación térmica

La dilatación térmica es el aumento de dimensiones que experimenta un cuerpo cuando su temperatura aumenta, es contracción cuando disminuye de dimensiones si la temperatura disminuye.

Dilatación lineal

( )000 TTαL=LL −−

αΔT=ΔL

=ΔL=LL 0−Donde:

Aumento o disminución de longitud

=α Coeficiente de dilatación longitudinal

=0T

=Ttemperatura inicial (ºC)

temperatura final (ºC)

Dilatación superficial

En el caso del aumento o disminución de área o superficie

( )000 TTSSS −=− βDonde:

SSS ∆=− 0

=S=0S

=βincremento superficial (m2 o cm2)

coeficiente de dilatación superficial (1/ºC)Superficie o área final

Superficie o área inicial

Dilatación volumétrica

En el caso del volumen

( )000 TTVVV −=− γDonde:

VVV ∆=− 0

=γ=V=0V

incremento volumétrico (m3 o cm3)

Volumen final

Volumen inicial

Relación entre los coeficientes de dilatación

Se ha encontrado que

αγαβ

3

2

==

Calorimetría

El calor es la energía transferida entre dos sistemas y que está exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellas. La calorimetría es el estudio de la medida del calor.

Equivalente mecánico de calor

Antes de que se hubiese establecido la equivalencia entre calor y energía, se habían definido dos unidades de calor: la caloría (cal) y la unidad térmica británica (Btu).

1 cal (caloría) = 4,18 J (Julio)1 Btu = 778 lb pie1 Btu = 252 cal

 

Calor específico

Es la cantidad de calor que debe absorber un gramo de sustancia para que su temperatura aumente en un grado centígrado. El calor específico es una propiedad de cada sustancia

Calores específicos de algunas sustancias

Sustancia Calor específico (cal/g ºC)

Agua 1

Agua de mar 0,95

Alcohol etílico 0,6

Mercurio 0,033

Aluminio 0,217

Cobre 0,093

Hierro 0,11

Hielo 0,53

Calor ganado o perdido

Es el calor absorbido o desprendido por un cuerpo para que se produzca un aumento o disminución de temperatura, está dado por:

( )0TTmcQ e −=Q = calor ganado o perdido (J) o (cal)

m = masa de la sustancia (kg ) o (g) = calor específico (J/kg ºC) o (cal/g ºC)ec

Temperatura de equilibrio o temperatura final

El calor cedido por una sustancia es el calor ganado por la otra sustancia

QQ +=−-Q = calor perdido por la sustancia a mayor temperatura+Q = calor ganado por la sustancia a menor temperatura

( )222111 )( TTcmTTcm eeee −=−−Si se tienen dos sustancias 1 y 2, T1> T2 se tiene:

La temperatura de equilibrio es:

2211

222111

ee

eee cmcm

TcmTcmT

++

=

Cambios de fase

Calor latente

Es el calor que requiere un gramo de sustancia para cambiar de fase, manteniendo la temperatura constante durante el cambioSi el cambio de fase es de sólido a líquido se utiliza el calor latente de fusiónSi el cambio de fase es de líquido a vapor se utiliza el calor latente de vaporización

Calor latente de fusión

m

Ql f =

=fl=Q

m = masa de la sustancia

calor latente de fusión (cal/g)

calor

El calor durante este proceso es

fmlQ =

Calor latente de vaporización

m

Qlv =

Durante el cambio de fase a temperatura constante, el calor entonces es

vmlQ =

Sustancia

Punto de fusión

(ºC)

Calor latente de

Fusión

Punto de ebullición

(ºC)

Calor latente de vaporización

(cal/g)

(J/kg)

(cal/g)

(J/kg)

Alcohol etílico

-114 24,9 105 78 204 846

Mercurio -39 2,82 11,3 357 65 285

Agua 0 80 334 100 540 2260

Azufre 119 9,1   444,6 78  

Plomo 327,3 5,86 22,5 1750 208 880

Antimonio 630,5 39,4   1440 134  

Plata 960,8 21,1   2193 558  

Oro 1063 15,4   2660 377  

Puntos de fusión y ebullición y sus respectivos calores latentes de fusión y vaporización de algunas sustancias (los valores de los calores latentes están en los sistemas cgs y SI)

Curva representativa de los cambios de fase para el agua

Transferencia del calorEl calor se propaga por conducción, convección y radiación

Conducción

L

TTkAH 0−−=

x

TkAH

∆∆−=

gradiente de la temperatura

=k=A=

∆∆x

T

constante de conductividad térmica (cal/ s cm ºC)

sección transversal de la sustancia

Convección

( )TThAH A −=

flujo del calor por unidad de tiempo coeficiente de convección de la sustancia (W/m2 K) A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T

t

QH ==h

Donde:

Radiación

( )40

4 TTAeH −= σ

constante de Stefan-Boltzman

=σ 428 /10672,5 KmW−×=e es una propiedad radiativa de la superficie llamada

emisividad, sus valores varían en el rango 0< e < 1