la naturaleza del calor

TEORÍA SOBRE LA NATURALEZA DEL CALOR

El conde Rumford prestó atención a la teoría del calor, por primera vez, durante la serie de experimentos que realizó en Inglaterra, en el año 1778, sobre la fuerza de la pólvora. La teoría calórica del calor, predominante en esa época, definía a éste como un fluido libre de penetrar en un cuerpo cuando se lo calentaba y salir del mismo modo cuando se enfriaba. El fluido en cuestión poseía volumen; por consiguiente, un cuerpo caliente se expandía cuando el fluido penetraba en él y se contraía cuando el fluido lo abandonaba. La teoría calórica del calor explicaba los hechos conocidos y sobre la base de sus razonamientos, los hombres de ciencia pudieron predecir muchos fenómenos antes de su descubrimiento experimental. Si uno piensa en los términos vinculados a la física del calor, descubre que nuestra terminología refleja todavía la influencia que esta teoría ejerció sobre el pensamiento de los físicos durante los siglos XVIII y XIX. Hablamos del "flujo" de calor desde un cuerpo hacia otro. Medimos la cantidad de calor en "calorías" y hablamos de la "cantidad de calor" que posee un determinado cuerpo. Medimos esta "cantidad de calor" con un "calorímetro". Hasta la aparición de la termodinámica, en la década 1860-70, los físicos carecían de herramienta alguna con la cual decidir entre las diversas y contradictorias teorías sobre la naturaleza del calor.
Como se sabía que en la explosión de la pólvora se generaba abundante calor, se consideraba que el mecanismo de propulsión era el fluido calórico liberado como resultado de la reacción química presente en la explosión. Así, en su intento de explicar la fuerza de la pólvora, Benjamín Thompson decidió naturalmente estudiar en teoría, y también de manera experimental, la física básica del proceso. En el curso de su trabajo, le desconcertó el hecho de que cuando disparaba su cañón sin balas, el barril se calentaba más que cuando realmente disparaba proyectiles. Si la cantidad de calor producida en la explosión era resultado de la liberación de calórico, debía ser siempre la misma, cualesquiera fuesen las circunstancias de la explosión. Y descubrió que esto no era cierto.
En Woburn, durante su juventud, Thompson había leído el Treatise on Fire [Tratado sobre el fuego] de Boerhaave y sabía que según la teoría propuesta por este autor, el calor, al igual que el sonido, era producto de la vibración de un cuerpo. La teoría de Boerhaave explicaría las observaciones de Thompson, pues al expandirse, los gases producidos por las explosiones pasaban por el cañón con mayor velocidad cuando estaban libres que cuando impulsaban un proyectil. Concluyó que las explosiones de mayor velocidad producían una oscilación de mayor frecuencia en el metal del cañón y, por consiguiente, una temperatura más elevada. Tomando esta conclusión como punto de partida, pasó su vida buscando experimentos que refutaran la teoría del calórico y, de paso, contribuyeran a fortalecer su creencia en la teoría vibratoria del calor.
Como hemos visto, el conde Rumford ascendió hasta llegar al puesto de Inspector General de Artillería del ejército bávaro. Como tal, era responsable de la producción de fusiles y cañones militares. El trabajo de ingeniería en el arsenal de Munich le brindó una oportunidad sumamente afortunada para llevar a cabo algunos experimentos notables. En el más famoso de sus experimentos, sobre perforación de cañones; analiza las dos teorías rivales: "Si la existencia del calórico fuese un hecho irrefutable, debería ser absolutamente imposible que un cuerpo ... comunicase esta sustancia de manera continua a varios otros cuerpos que lo rodean, sin que esta sustancia se agotase gradualmente. Una esponja llena de agua y colgada de un hilo en el medio de un cuarto lleno de aire seco, comunica su humedad al aire, es cierto, pero pronto el agua se evapora y la esponja ya no puede entregar humedad. 
Por el contrario, una campana suena sin interrupción cuando se la golpea y emite su sonido tan a menudo como lo deseemos, sin la menor pérdida perceptible. La humedad es una sustancia, el sonido no lo es. Es bien sabido que si se frotan entre sí dos cuerpos duros, producen abundante calor. ¿Pueden continuar produciéndolo sin quedar finalmente agotados? Dejemos que el resultado de los experimentos decida esta cuestión

 

EJERCICIOS POR RESOLVER

 1) Se tienen 100 gr de agua a 35 °C. 
  A.  Calcule la cantidad de calor que se requiere para llevar el agua a 100°C.
  B.  Calcule la cantidad de calor necesario para convertir el agua a 100 °C en vapor a 100 °C.
 C.  Calcule la cantidad de calor necesario para convertir el vapor a 100°C en vapor recalentado a 110 °C.
D.  Calcule la cantidad de calor que hay que sacar para convertir 100 gr de vapor a 110 °C  en hielo  a –10 °C

2) El calor de combustión del carbón es de 11000 BTU/lb, si  se utilizan 18000 BTU/hr  para calentar una casa,  ¿cuántas toneladas de  carbón se requerirán para que el sistema opere las 24 hr. durante un mes?



LINKS

http://www.librosmaravillosos.com/elconderumford/capitulo12.html

http://paginas.fisica.uson.mx/gilberto.gonzalez/prob_fis2.htm

CALOR Y TEMPERATURA

Calor

Al aplicar calor, sube la temperatura.

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo. (Ver: Termodinámica, Tercera Ley)

Temperatura

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calorque este contiene o puede rendir).

Diferencias entre calor y temperatura

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

Misma temperatura, distinta cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

Cambios de estado

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de estado. Los posibles cambios de estado son:

-de estado solidó a liquido, llamado fusión.

-de estado liquido a solidó, llamado solidificación.

-de estado liquido a gaseoso, llamado vaporización

-de estado gaseoso a liquido, llamado condensación

-de estado solidó a gaseoso, llamado sublimación progresiva.

-de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

EJERCICIOS PARA RESOLVER

1. ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 20 kg de hierro de 10 ^oC hasta 90 ^oC?
2.  ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 2 kg de hielo de –3 ^oC hasta formar agua a      25 ^oC?

LINKS

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm

http://www.amschool.edu.sv/paes/science/calor_y_temperatura.htm




MEDIDA DE LA TEMPERATURA

Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura.

A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.

Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius.

 Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.

Termometro

Un termómetro es un instrumento que permite medir la temperatura. Los más populares constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeño tubo capilar; éste contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatación), que se dilata de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.

     Escala de temperatura

     Lo que se necesita para construir un termómetro son puntos fijos, es decir, procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

Los puntos generalmente utilizados son el proceso de ebullición y de solidificación de alguna sustancia, durante los cuales la temperatura permanece constante.

Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

Relación de escalas

ESCALA CELSIUS

Para esta escala, se toman como puntos fijos, los puntos de ebullición y de solidificación del agua, a los cuales se les asignan los valores de 100 y 0 respectivamente. En esta escala, estos valores se escriben como 100° y 0°. Esta unidad de medida se lee grado Celsius y se denota por °C.

El grado Celsius, es la unidad creada por Anders Celsius para su escala de temperatura. Se tomó para el Kelvin y es la unidad de temperatura más utilizada internacionalmente.

A partir de su creación en 1750 fue denominado grado centígrado (se escribía °c, en minúscula). Pero en 1948 se decidió el cambio en la denominación oficial para evitar confusiones con la unidad de ángulo también denominada grado centígrado (grado geométrico), aunque la denominación previa se sigue empleando extensamente en el uso coloquial.

Hasta 1954 se definió asignando el valor 0 a la temperatura de congelación del agua, el valor 100 a la de temperatura de ebullición «ambas medidas a una atmósfera de presión» y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una de ellas definida como 1 grado. Estos valores de referencia son muy aproximados pero no correctos por lo que, a partir de 1954, se define asignando el valor 0,01 °C a la temperatura del punto triple del agua y definiendo 1 °C como la fracción 1/273,16 de la diferencia con el cero absoluto.

ESCALA KELVIN

En este caso, la escala fue establecida por la escala kelvin, donde el valor de 0° corresponde al cero absoluto, temperatura en la cual las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior. En escala Celsius esta temperatura corresponde a -273 °C. Esta unidad de medida se lee Kelvin y se denota por [K]. Esta unidad se llama también Escala Absoluta y es también la unidad adoptada por el Sistema Internacional de Unidades.

Dado que 0 K corresponden a -273,15 °C, se puede hallar una fórmula de conversión, entre la escala Celsius y la escala Kelvin, de la siguiente forma:

                                           TK = TC + 273.15 C·

ESCALA FAHRENHEIT

En esta escala también se utilizaron puntos fijos para construirla, pero en este caso fueron los puntos de solidificación y de ebullición del cloruro amónico en agua. Estos puntos se marcaron con los valores de 0 y 100 respectivamente. La unidad de esta escala se llama grado Fahrenheit y se denota por °F. Dado que en escala Celsius, los valores de 0 °C y 100 °C corresponden a 32 °F y 212 °F respectivamente, la fórmula de conversión de grados Celsius a Fahrenheit es:

                                            Tf = 9/5  Tc + 32 c·

ESCALA RANKINE

Es una escala de temperaturas muy utilizada en los EE.UU., y es semejante a la escala Kelvin. Al igual que esta, presenta un cero en el cero absoluto, por lo que también es una “escala absoluta”, con la diferencia de que los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.

                                           TR = 9/5 TK = 1.8 Tk

Ejercicios por resolver

1. La temperatura del cuerpo humano es 37°C. ¿A cuántos grados Farenheit equivale?

2. Para asar un pollo se necesita que la parrilla alcance una temperatura de 374°F. ¿A que          temperatura debo fijar el graduador para asar el pollo, si la graduación está en grados centígrados     (°C)?

LINKS 

http://www.fullquimica.com/2012/03/ejercicios-escalas-de-temperatura.html

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/measure_sp_06sep01.html

https://tublockupn.wordpress.com/escalas-de-temperatura/

http://definicion.de/termometro/

DILATACIÓN

Dilatación Termica 

Cuando la temperatura de un cristal varia, se produce un cambio en sus dimensiones (dilata o contrae), y a menudo deforma, que se conoce como dilatación térmica. Cuando se recupera la temperatura inicial, se recuperan las dimensiones y la forma, y por tanto, el fenómeno es reversible. Un incremento de temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas (y por tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada un de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por dos átomos enlazados, a 0ºK el sistema es estático, no hay vibración térmica y los centros de los átomos se encuentran a una distancia determinada d0 . Al aumentar la temperatura, los átomos vibran alrededor de posiciones de equilibrio, y por tanto, la distancia promedio entre los dos centros (d1 ) es mayor y el sistema dilata. En la figura, para simplificación se ha representado una vibración esférica alrededor del centro, por bien que en realidad no tiene esta forma). Intuitivamente, es fácil imaginar que a mayor temperatura, más amplia es la vibración, y más grande la distancia entre los átomos, con el límite de estabilidad del sistema (transformación o fusión, en el caso de los cristales).

EJERCICIOS 

1. La longitud de un puente de hierro es 34m a la temperatura ambiente de 18°c. Calcular la diferencia entre sus longitudes en un día de invierno cuya temperatura es -6°c y un día de verano cuya temperatura es 40°c.

2. Una varilla de cobre tiene una longitud de 1.20m a una temperatura ambiente de 18 ·c . ¿cual sera su longitud 84 ·c?.

LINKS

http://aroldo-calortemperatura.blogspot.com/2009/04/problemas-de-dilatacion-termica.html

http://www.fempatrimoni.cat/www-crista/CASTELLA/PDF-crista/dilatacio-termica_es.pdf

Dilatación de superficie

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo debido a la intervención de un cambio de temperatura.

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicial A0 y temperatura inicial θ0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a A.

Los lados de una placa sufren dilataciones lineales, provocando una dilatación superficial cuando aumenta su temperatura. Esto se observa en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es mucho menores que las otras dos, por ejemplo en chapas, láminas y espejos, etc.

Este fenómeno se representa con la siguiente fórmula;

ΔA=βAoΔT

Dónde:

ΔS = Dilatación superficial

Ai = Área inicial

Δt = Variación en la temperatura

Β = Coeficiente de dilatación superficial.

El coeficiente de dilatación superficial de una lámina, que se dilata en la misma proporción a lo largo y lo ancho, se puede obtener multiplicando el coeficiente de dilatación lineal por dos:

β = 2α

Y se define al coeficiente de dilatación superficial como: la variación de la superficie de una placa, por unidad de área, cuando hay un aumento en la temperatura de 1 ºC

Ejercicios 

1. Una barra de acero (α = 11 X 10-61/°C) con longitud de 230cm y temperatura de 50° C se introduce en un horno en donde su temperatura aumenta hasta los 360 ° C 
¿Cuál será la nueva longitud de la barra?

2. Una placa circular de aluminio (α = 22 X 10-61/°C) tiene un diámetro de 35cm; si su temperatura se incrementa en 200     °C     ¿Cuál será la nueva área de la placa?

LINKS

http://laurisyopli.blogspot.com/2011/04/problemas-y-soluciones-de-dilatacion.html

https://tatofisicatermodinamica.wordpress.com/segundo-corte/dilatacion/dilatacion-superficial/

DILATACIÓN CUBICA

En los sólidos, cuando predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en el volumen (ΔV) se denomina dilatación cúbica o volumétrica. Para calcular el volumen final (Vf) en un sólido la fórmula será:

Vf  = Vi .(1 + γ . ΔT)

El coeficiente de dilatación cúbica ( γ ) resulta al ser el triple del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de tres dimensiones largo, ancho y altura, el cálculo es:

γ = 3 . α

Ejercicio

1. Una barra de aluminio de 0.01 m^3 a 16°C se calienta a 44°C.Calcular:
a)¿Cual sera el volumen final?
b)Cual fue su Dilatación Cubica?

Links

http://problemasaplicadosdefisica.blogspot.com/2007/05/dilatacin-cubica.html

http://www.ipcontrol.com.ar/fisica/dilata.htm

DILATACIÓN DE LOS LÍQUIDOS

Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,

[3.15]

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.

Ejercicios 

1. Una barra de cobre mide 8 m a 15 ºC. Hallar la variación que experimenta su longitud al calentarla hasta 35 ºC. El coeficiente de dilatación térmica del cobre vale 17 x 10-6 ºC-1

2. Un eje de acero tiene un diámetro de 10 cm a 30 ºC. Calcular la temperatura que deberá existir para que encaje perfectamente en un agujero de 9,997 cm de diámetro. El coeficiente de dilatación lineal del acero vale 11 x 10-6 ºC-1

LINKS 

http://josetxo-fisica.blogspot.com/2011/11/ejercicios-de-dilatacion.html

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/dilatacion/liquidos

DILATACIÓN ANORMAL DEL AGUA

El agua es una sustancia compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. A temperatura ambiente es líquida, inodora, insípida e incolora (aunque adquiere una leve tonalidad azul en grandes volúmenes). Se considera fundamental para la existencia de la vida. No se conoce ninguna forma de vida que tenga lugar en ausencia completa de esta molécula.

Casi todos los líquidos se expanden al calentarse, pero el agua fría hace todo lo contrario. El agua a 0º C se contrae al aumentar su temperatura hasta alcanzar los 4º C, valor a partir del cual comienza a expandirse, expansión que continua hasta el punto de ebullición. Una cantidad dada de agua alcanza su volumen mínimo, y por lo tanto su densidad máxima a 4º C. La misma cantidad de agua tiene su volumen máximo, y por lo tanto su densidad mínima en forma de hielo, por eso el hielo flota sobre el agua.

LINKS

http://etarazonabe.blogspot.com/2008/07/dilatacin-anmala-del-agua.html

DILATACIÓN DE LOS GASES

Los gases encerrados en un recipiente que se pueda estirar libremente aumentan de volumen al calentarse. 

Ya sabemos que los sólidos y los líquidos se dilatan con la temperatura pero los gases lo hacen en mucha mayor proporción.

Todos los gases se dilatan de la misma forma y además en mucha mayor proporción que los sólidos o líquidos.

Los experimentos de dilatación están ligados a la fabricación de los globos aerostáticos en Francia en el siglo XIX.

El científico francés Gay-Lussac  compagino sus estudios en el laboratorio con arriesgadas ascensiones en globo. Llegó a 7000 m de altura y en estos viajes estudiaba la composición del aire a diferentes alturas, la variación de la presión, y sus propias leyes sobre la dilatación y presión de los gases.

Para estudiar la dilatación de un gas podemos encerrarlo en un pistón de manera que al calentarlo se pueda expansionar libremente. Mediremos la temperatura con un termómetro y el volumen en el mismo pistón:

Hemos calentado un gas en un pistón y  hemos ido apuntando la temperatura y  el volumen que alcanza:

Temperatura ºC	-10	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Volumen      L	100	104	108	111	115	119	123	127	130	134	138	142

Ejercicios

1. Un volumen gaseoso de un litro es calentado a presión constante desde 18 °C hasta 58 °C, ¿qué volumen final ocupará el gas?.

2. Una masa gaseosa a 32 °C ejerce una presión de 18 atmósferas, si se mantiene constante el volumen, qué aumento sufrió el gas al ser calentado a 52 °C?.

LINKS

 http://www.fisicanet.com.ar/fisica/gases/tp01_gases_ideales.php

https://sites.google.com/site/fisicayquimica3pielagos/dilatacion-de-los-gases

CALORIMETRIA

La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambiosfísicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría.

Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.

La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para hacer las mediciones

La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos.
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que esta en contacto con el medio que esta midiendo. En el cual se eencuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volúmen constante y los de presión constante.

LINKS

http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/termoquimica/calorimetria.html

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.php

http://www.quimicayalgomas.com/fisica/que-es-la-calorimetria/

Unidades de la cantidad de calor

El calor es una forma de energía, y sus unidades de medida son el Joule (J) y la caloría (cal) (1 cal = 4,186 J) que fue definida en su momento para el calor cuando no se había establecido que era una forma de energía.

Caloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a un gramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C (cambiar  su temperatura significa aumentarla en 1º C o disminuirla en lº C). Se abrevia “cal”.

                                            

Junto con la caloría se usa también la kilocaloría para medir el calor. 

Kilocaloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a 1 kilogramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C. Se abrevia kcal.

links

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_Unidades_medida.html

calor especifico

Se define como la catidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto J·kg^-1·K^-1.

El calor específico del agua es de 4180 J·kg^-1·K^-1.

Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema C_e podemos deducir que el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su temperatura varía desde una temperatura T₁ hasta otra T₂ (ΔT = T₂ - T₁) vendrá dado por la expresión:

Q = m·C_e·ΔT

Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico:

Esto puede aplicarse al cálculo del calor específico de un material conociendo el calor específico de otro, la masa de ambos, la temperatura inicial de ambos y la temperatura de equilibrio en la práctica que se propone.

LINKS

http://fisicayquimicaenflash.es/eso/4eso/e_termica/e_termica03.html

capacidad calorífica

Cuando le suministramos cierta cantidad de calor Q a un cuerpo, esta cantidad de calor se refleja en un aumento de su temperatura que llamaremos ΔT. De esta forma podemos definir la Capacidad Calorífica ( C )como la relación entre el calor suministrado al cuerpo y el incremente de temperatura que sufre. Esta relación seria Q=C*ΔT.

Expresado en otras palabras, la Capacidad Calorífica ( C ) es la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de una muestra determinada de material.

http://blog.miprofesordefisica.com/calor-especifico/

calor de combustión

El calor de combustión es la energía liberada en forma de calor cuando un compuesto se somete a combustión completa con el oxígeno bajo condiciones estándar. La reacción química es típicamente un hidrocarburo reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono, agua y calor. Puede expresarse con las cantidades:

• energía/mol de combustible
• energía/masa de combustible
• energía/volumen de combustible

El calor de combustión se mide convencionalmente con un calorímetro de bomba. También se puede calcular como la diferencia entre el calor de formación de los productos y reactivos.

http://docsetools.com/articulos-utiles/article_108060.html

cambios de estado

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.
Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.
Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.

LINK

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/cambios.htm

EJERCICIOS 

1. El calor de combustión de la leña es 4*10³ cal /g. ¿Cuál es la cantidad de leña que debemos quemar para obtener 12*10⁷ cal?.

2.  Se colocan 200 g de hierro a 120 °C en un recipiente conteniendo 500 g de agua a 20 °C. Siendo el calor específico del hierro igual a 0,114 cal /g °C y considerando despreciable el calor absorbido por el recipiente. Determine la temperatura de equilibrio térmico.

3. Se colocan 400 g de cobre a 80 °C en un recipiente conteniendo 600 g de agua a 22 °C. Determine la temperatura de equilibrio térmico sabiendo que el calor específico del cobre es de 0,092 cal /g °C.

4. Un calorímetro de cobre de 80 g contiene 62 g de un líquido a 20 °C. En el calorímetro es colocado un bloque de aluminio de masa 180 g a 40 °C. Sabiendo que la temperatura de equilibrio térmico es de 28 °C,determine el calor específico del líquido. Considere: c _Cu = 0,092 cal /g °C y c _Al = 0,217 cal /g °C.

5. Un calorímetro de cobre de 60 g contiene 25 g de agua a 20 °C. En el calorímetro es colocado un pedazo de aluminio de masa 120 g a 60 °C. Siendo los calores específicos del cobre y del aluminio,respectivamente iguales a 0,092 cal /g °C y 0,217 cal /g °C; determine la temperatura de equilibrio térmico.

6. Un calorímetro de equivalente en agua igual a 9 g contiene 80 g de agua a 20 °C. Un cuerpo de masa 50 g a 100 °C es colocado en el interior del calorímetro. La temperatura de equilibrio térmico es de 30 °C. Determine el calor específico del cuerpo.

PRINCIPIOS DE LA FUSIÓN

La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por unadisminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso inverso a la fusión, y sucede a la misma temperatura. Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras, aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos.

También se llama solidificación al proceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla, en esos casos al deshidratarse a temperatura constante.

En el diagrama adjunto, faltaría concretar lo que es "licuefacción", que es paso a líquido. Se dice que el azúcar se licúa cuando al calentarse pasa de estado en granos cristalizados a ser un líquido marrón, de alta viscosidad

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/cambios.htm

VAPORIZACIÓN

La vaporización, por lo tanto, puede ser el cambio de estado de un líquido a un gas. Este proceso puede llevarse a cabo de dos maneras: cuando el paso de líquido a gaseoso se desarrolla en la totalidad de la masa de la sustancia, se habla de ebullición. Se llama punto de ebullición, en este contexto, a la temperatura que hace que un líquido, a una cierta presión, hierva y empiece a cambiar su estado. Si el cambio de estado solo se lleva a cabo en la superficie del líquido, el fenómeno se conoce como evaporación.

EJERCICIOS

1. ¿Qué cantidad de energía hay que suministrar a 100 gramos de hielo de agua a -10ºC para transformarlo en vapor de agua a 110 ºC?

2. Si se tienen 100g de vapor de agua a 100ºc, q se enfrian hasta 50ºc, ¿cuanto es el calor liberado?(calor de vaporizacion 540 cal/g) 

LINKS

https://resuelvetusdudas.wordpress.com/tag/vaporizacion/

http://definicion.de/vaporizacion/

EBULLICIÓN

En términos generales, a través de la palabra ebullición se refiere a la acción y efecto de hervir algún líquido, por ejemplo, el agua, cuya principal manifestación será la de la producción de burbujas en ese líquido por la directa acción del calor. En el lenguaje corriente o de uso coloquial se suele usar la palabra hervor para referirse a la ebullición, es decir, es el sinónimo más usado para describir esta acción.

Ahora sí, en términos más formales, la ebullición se dice que es aquel proceso físico mediante el cual un líquido pasa de su estado, al estado gaseoso. Dicho cambio o transformación se produce como consecuencia de la temperatura del líquido que alcanzó por la fuerza de una presión determinada lo que se conoce como el punto de ebullición. Se designa con el concepto de punto de ebullición cuando la temperatura de la presión de vapor iguala a la presión que presenta el medio que rodea al líquido.

La ebullición, además, es considerada como el proceso inverso, contrario al proceso de condensación, que se da cuando una sustancia gaseosa pasa al estado líquido, en tanto, aunque muy frecuentemente suelen usarse indistintamente ambos conceptos, la ebullición nada tiene que ver con la evaporación, son sinónimos, porque básicamente la evaporación implica un proceso de sucesión paulatina y no requiere del calentamiento de toda la masa como si lo demanda la ebullición para que esta se produzca.

EJERCICIOS

1. La temperatura normal de ebullición del agua es de 100 °C. ¿Cuál será el punto de ebullición del agua en Medellín (p = 640 torr) y Bogotá (p = 560 torr)?

2. La temperatura de ebullición del n-butanol (polar) en Medellín es de 112 °C, ¿cuál será el punto de ebullición normal del n-butanol?

LINKS

http://www.definicionabc.com/general/ebullicion.php

http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica06.htm

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio deconservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, ytrabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.
En los textos de Química es típico escribir la primera ley como ΔU=Q+W. Por supuesto que es la misma ley, -la expresión termodinámica del principio de conservación de la energía-. Exactamente se define W, como el trabajo realizado sobre el sistema, en vez de trabajo realizado por el sistema. En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna. En el contexto de procesos y reacciones químicas, suelen ser mas comunes, encontrarse con situaciones donde el trabajo se realiza sobre el sistema, mas que el realizado por el sistema.

EJERCICIOS 

1.Se sitúan 15 L de gas ideal en un recipiente a 27 ºC. El recipiente cuenta con un pistón móvil libre de rozamiento. La presión en el exterior se mantiene constante a 750 mmHg. Determina, si se eleva la temperatura a 190 ºC:

1. El trabajo realizado en el proceso
2. La variación de energía interna que tiene lugar
3. El calor transferido durante el mismo
4. Representa el proceso en un diagrama presión - volumen ( p - V )

Datos : cv = 5·R/2 ; R = 8.31 J/ mol·K 

2. ¿Cuál es el cambio de energía interna, cuando un sistema pasa del estado a al b a lo largo de la transformación acb recibe una cantidad de calor de 20000 cal y realiza 7.500 cal de trabajo?

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http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/firlaw.html

file:///C:/Users/Alejandra%20Tarazona/Downloads/problemas+primera+ley.pdf

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Esta ley,  en combinación con la primera ley de la termodinámica, pronostica  la dirección que siguen los procesos naturales y las situaciones de equilibrio. A partir de la segunda ley de la termodinámica se establece la imposibilidad de convertir totalmente una cantidad de calor  (energía de baja calidad) en trabajo (energía de máxima calidad).  Lo anterior puede resumirse así: “la calidad de la energía  se destruye en los procesos con flujo de calor, lo cual esta en concordancia con el principio del aumento de entropía del universo: dS > 0.

Los procesos de combustión son la principal fuente de energía del mundo moderno,  son un ejemplo de la destrucción de la calidad de la energía.  En estos procesos el sentido natural es aquel en el que el combustible se transforma en dióxido de carbono y agua, el sentido contrario no es natural.  La segunda ley de la termodinámica aporta los fundamentos que permiten  predecir cuándo un proceso es o no natural.  En los procesos cíclicos naturales que en su gran mayoría son isotérmicos e irreversibles no se puede esperar una producción de trabajo,  ya que en estos procesos se destruye

EJERCICIOS

1. Un mol de gas ideal realiza una expansión isotérmica de 20 MPa a 1 MPa . La temperatura es de 398.15 K. Calcular el cambio de entropía para el gas, los alrededores y el total, a) si el proceso es reversible; b) si el proceso es irreversible y la presión externa es igual a la presión final del gas.

2. La capacidad calorífica del sílice (SiO2) sólido es: ( ) 3 5 Cp / J / Kmol 46.94 34.31 10 T 11.30 10 T − − = + × − × su coeficiente de expansión térmica es 0.3530 x 10-4 K-1 y su volumen molar es de 22.6 cm3 mol-1 . Calcular el cambio de entropía para un mol de sílice para el proceso en el cual el estado inicial es de 1 bar y 200 K y el estado final es de 1000 bar y 500 K

LINKS

http://depa.fquim.unam.mx/termofisica/silvia/SegLey.pdf

http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/principios/termodinamica2.html