3.calor

Dr. Segundo Morocho C. 10 de enero de 2012

1


CONCEPTOS GENERALES

El calor es una forma de manifestación de la energía.
Los fenómenos en los que interviene el calor tienen una dirección
determinada y además son irreversibles:
El calor fluye siempre del cuerpo “más caliente” al más “frío”

SISTEMA.- Se considera a cualquier objeto, cantidad de materia,
región, etc., seleccionada para su estudio y considerada
independiente de todo lo que le rodea, ALREDEDOR

TEMPERATURA

Calor y temperatura, aunque íntimamente ligados son dos
conceptos diferentes.
2


El nivel es el mismo pero tienen distintas cantidades de agua
Si se hecha más agua el nivel sube, cantidad de calor y
temperatura (o nivel calórico).
Al calentar agua en un recipiente, se le entrega una cierta
cantidad de calor y la temperatura o “nivel” del calor sube,
como sube el nivel del agua cuando se hecha más en el
recipiente.
Dos cuerpos pueden tener la misma temperatura y distintas
cantidades de calor
Se considera que el agua hierve a 100°C
3


Un cuerpo puede tener alta temperatura pero poca cantidad de
calor, o,
Un cuerpo puede tener baja temperatura pero más cantidad de
calor
Llama de un fósforo cuya temperatura es 700°C y un recipiente con
agua a 50°C.

EFECTOS DEL CALOR: Todos los cuerpos, sólidos, líquidos o
gaseosos, se dilatan cuando se les entrega calor.

La temperatura es función de la energía cinética trasnacional
promedio de las partículas que conforman el sistema, por
consiguiente es una propiedad independiente del
movimiento del sistema como un todo.
El estímulo que en nosotros produce las sensaciones de caliente o
frío produce también en otros cuerpos modificaciones
observables.
4


TERMOMETROS

Nuestras primeras mediciones de temperaturas las hacemos
mediante el sentido del tacto. (Calientes, tibios o fríos)

La piel es nuestro primer termómetro (no diferencia temperaturas
pequeñas, da información errónea)

Fría tibia Caliente

La piel no es un buen termómetro

5


Los cambios de temperatura en un sistema están
acompañados por otros cambios físicos como: presión,
longitud, volumen, color, resistencia eléctrica, en base a
estos cambios se construyen los diferentes aparatos para
medir la temperatura

Para establecer la escala se seleccionan dos puntos fijos:

ESCALA PUNTO INFERIOR PUNTO SUPERIOR
Congelación del agua Ebullición del agua

CENTIGRADA 0ºC 100ºC

FAHRENHEIT 32ºF 212ºF

KELVIN 273 K 373 K

6


100 212 373

T(°C) T(°F) T(K)

100 180 100

0 32 273

Los termómetros más comúnmente utilizados basan su
funcionamiento en diferentes propiedades

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Los termómetros de mercurio se fundamentan en la considerable
dilatación de este fluido con los aumentos de temperatura. No puede
usarse a temperaturas inferiores a -39°C (sólido) tampoco a
temperaturas superiores a 357°C (hierve)
Alcohol (solidifica a -110°C hierve a 76°C)
Tuluol (-100°C y 110°C)
Los termómetros metálicos se basan en el principio de dilatación de dos
cintas metálicas unidos a lo largo de uno de sus extremos

El pirómetro óptico se basa en el color de las radiaciones emitidas por el
cuerpo caliente que se desea medir.
Cuando un cuerpo llega a unos 600°C comienza a emitir luz, primero de un
color rojo oscuro, luego se va aclarando, se hace rojo brillante, amarillo
y por último, cuando la temperatura es muy elevada, blanco (2000°C)
EJEMPLOS:
1. La temperatura normal corporal es 37°C, ¿a qué temperaturas, kelvin y
Fahrenheit corresponde?
2. Si la temperatura de un cuerpo se eleva en 10°C, ¿cuántos grados
Fahrenheit y Kelvin aumenta?

8


DILATACION
Cuando la temperatura de un sistema varía, las dimensiones
del mismo cambian.

La Ec. de las partículas tienden a separarse debido al
incremento de la energía cinética media.

DILATACION DE SOLIDOS

El fenómeno de dilatación se da en 3 dimensiones y de
acuerdo a la forma lo hará en mayor o menor grado en
una, dos o tres dimensiones

9


DILATACION LINEAL
Ocurre en mayor proporción en una sola dirección
Lo
ΔL
L L L0

L
L TL0
L TL0
L TL0 L0

L L0 (1 T)

α es el coeficiente de dilatación lineal L
TL0
10


UNIDADES
m 1 1
C K
SI: C m

INGLES: pie
F
F pie

Coeficientes de Dilatación lineal

Consulta bibliográfica…

11


DILATACION SUPERFICIAL
Ocurre en dos de las tres dimensiones.
L0 L

L0’
L’

Base: ΔL = L – L0
Ancho: ΔL’ = L’ – L0’
Área final: A = LL’

A A0 1 2 T
12


DILATACION VOLUMETRICA
Dilatación es considerable en las tres dimensiones.

L’
L 0’
L0’’
L’’
L0
L
L L0 1 T
L' L0 ' 1 T
L' ' L0´´ 1 T

Volumen V= L.L’.L’’
V V0 1 3 T
13


DILATACION DE LIQUIDOS
C nivel final del líquido a T
A nivel inicial del líquido a la T0

B nivel del líquido debido a la dilatación del
recipiente

BC = AC +AB

Dilatación verdadera = dilatación aparente + dilatación del recipiente
V A C
Se define:
V
V
V0 T V V0 1 V T
Coeficientes de dilatación para los líquidos y gases:
Consulta Bibliográfica…
14


RELACION DE LA DENSIDAD CON LA VARIACION DE
TEMPERATURA

Si: ρ0; V0 a 0°C y ρ; V a una temperatura T, entonces

Sólidos Líquidos

0 0

1 CT
1 V T

Densidad es inversamente proporcional a la temperatura

15


EJERCICIOS
1. Una barra de cobre tiene una longitud de 1,8m cuando
la temperatura es 40°C. Calcule su longitud final para
temperaturas de 120°C y -15°C
2. Calcule el coeficiente de dilatación lineal de una barra
de 8m que se dilata 0,45mm, cuando la temperatura
aumenta desde 10°C hasta 50°C
3. Un recipiente cuyo volumen es 40cm3 contiene mercurio
a 20°C. Calcule el incremento de volumen de mercurio
si la temperatura se eleva a 80°C. (Coeficiente de
dilatación verdadera del mercurio 181,8X10-6°C-1
4. Calcule el coeficiente de dilatación cúbica de un cuerpo
cuya densidad a 0°C es 2,35907 Kgdm 3 y a 50°C
3
es 2,3450 Kgdm
5. El incremento del volumen de un cuerpo es 0,05%,
cuando su temperatura aumenta de 18°C hasta 90°C.
Calcule el coeficiente de dilatación lineal del cuerpo
16


CALORIMETRIA
El calor es una forma de energía en tránsito que se transfiere de un
cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura
TRANSFERENCIA DEL CALOR
Transporte de energía calórica de un cuerpo a otro generalmente
de menor temperatura
CONDUCCION.- Es la transferencia de calor de una parte del
cuerpo a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro cuerpo que
esta en contacto físico con él, sin desplazamiento apreciable de
las partículas del cuerpo.
CONVECCION.- Es la transferencia de calor de un punto a otro
dentro de un fluido, mediante la mezcla de una porción de un
fluido con otra
RADIACION.- Es la transferencia de calor de un cuerpo a otro que
no se encuentra en contacto con él, por medio del movimiento
ondulatorio a través del espacio
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CAPACIDAD CALORIFICA
Es la razón o cociente entre el calor ganado o
perdido (ΔQ) y la variación de temperatura (ΔT)
Q
C
T

CALOR ESPECIFICO
Es la capacidad calorífica por unidad de masa
C
Ce
m
El calor total ganado o perdido (ΔQ) por un cuerpo
que recibe o transfiere calor a otro hasta alcanzar
el equilibrio térmico, se conoce como calor sensible
mientras no ocurra un cambio de estado
Q m Ce T 18


UNIDADES DE CALOR
Se puede medir en unidades de energía (J).

Pero se acostumbra utilizar la caloría: cantidad
de calor necesaria para elevar de 14,5°C a
15,5°C la temperatura de 1g de agua pura

Otra unidad de calor es: la Kilocaloría,
1Kcal = 1000cal = 4186J
1cal = 4,186J

BTU: Cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura de 1lb de agua en 1°F
19


UNIDADES DE CALOR ESPECÍFICO
CGS: Q ca l
Ce
m T g C

INGLES: Q BTU
Ce
m T lb F

El calor específico del agua:
Kcal cal J
Ce 1 1 4186
Kg C g C Kg K

Calor específico de las sustancias:
Consulta bibliográfica
20


PRINCIPIOS DE CALORIMETRIA
1.- Cuando varios cuerpos intercambian energía calorífica,
la cantidad de calor ganado por unos es igual a la
cantidad de calor perdido por otros
QA QB
2.- La cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo
(ΔQ) es proporcional a la variación de temperatura (ΔT)

ΔQ = ΔT

3.- La cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo
(ΔQ) es proporcional con la masa (m)

ΔQ = m
21


PRINCIPIOS DE CALORIMETRIA
4. Cuando varios cuerpos con temperaturas diferentes
están en contacto, la energía calorífica se desplaza
de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor
temperatura, hasta que se produce el equilibrio
térmico (igual temperatura para todos)

5. La cantidad de calor sensible recibida por un cuerpo
para elevar X° su temperatura es igual a la cantidad
de calor cedida por el cuerpo para disminuir su
temperatura los mismos X°

6. La cantidad de calor recibida por un cuerpo para
fundirse (evaporarse) totalmente es igual a la
cantidad de calor cedida por el mismo para
congelarse (condensarse) totalmente.
22


CALORIMETRO (Vaso térmico)
Sistema aislado térmicamente. Constituido por dos vasos
separados por un material aislante (aire, lana de vidrio, espuma
flex o vacío). Dispone de un agitador con material aislante, se
utiliza siempre acompañado de un termómetro.
Todos los elementos constituyentes del calorímetro determinan que
un sistema que transfiera calor entre sus componentes en el
vaso interno esté perfectamente aislado.
EJERCICIOS.

1. Calcule las capacidades caloríficas de 1cm3 de agua, cobre y
plomo
2. Un pedazo de plomo de masa 2x10-3Kg con una velocidad de
350m s 1 queda en reposo después de chocar con otro cuerpo.
Calcule la elevación de temperatura por la conversión de energía
cinética en calorífica
3. ¿Qué cantidad de calor deben recibir 10g de mercurio para pasar
de 20°C a 50°C y qué cantidad de calor deben ceder los 10g de
mercurio para enfriarse nuevamente a 20°C?

23


4. Se tienen 200ml de un líquido de densidad 1,15gcm 3 a
70°C en un calorímetro de 400g y cuyo Ce 0,21ca lg 1 º C 1 ,
se añaden 60ml del mismo líquido a 15°C y la
temperatura final registrada una vez alcanzado el
equilibrio térmico es 58°C. Determinar el Ce del líquido.
5. Un calorímetro de cobre cuya masa es 0,3Kg contiene
0,5Kg de agua, a la temperatura de 15°C. Se deja caer
dentro del calorímetro una muestra de 0,560Kg a la
temperatura de 100°C; la temperatura final del conjunto
es 22,5°C. Calcule el calor específico de la muestra.
6. Para elevar la temperatura de 5Kg de agua de 20°C a
30°C, se calienta una barra de hierro de 2Kg y se deja
caer en el agua. Calcule la temperatura inicial de la barra.
7. Calcule la temperatura final de la mezcla, si un cuerpo de
aluminio de 20g a 100°C (Ce 920,9JKg 1K 1 ) se introduce en
un calorímetro de cobre ( Ce 393,4JKg 1K 1 ) cuya masa es
200g y contiene 100g de agua ( Ce 4186JKg 1K 1 ) a 10°C

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CALOR LATENTE
CALOR DE FUSION
Cantidad de calor por unidad de masa que es
necesario suministrar a una sustancia que se halla
en su punto de fusión para convertirla
completamente en líquido a la misma temperatura
Qf
Lf
m
CALOR DE VAPORIZACIÓN

Cantidad de calor por unidad de masa que debe
suministrarse a una sustancia en su punto de
ebullición para convertirla por completo en gas a la
misma temperatura Qv
Lv
m
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Absorbe energía
Sublimación
Fusión Vaporización
SOLIDO GAS
LIQUIDO
Solificación Condensación

Sublimación regresiva

Libera energía

Si un gas se condensa devuelve al ambiente una cantidad de
calor igual a la consumida para producir la vaporización

26


Calor de condensación = calor de vaporización

Cuando un líquido se solidifica (se enfría hasta la
temperatura de fusión, cede el calor de solidificación

Calor de fusión = calor de solificación

Punto de fusión: Es la temperatura a la cual pueden
coexistir tanto la fase sólida como la líquida

Ejemplo: Vaso que contiene agua y hielo a 0°C

Tabla con: Lf, Tf, Lv, Teb; para distintos materiales

Consulta bibliográfica

27


EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

Joule estableció que el trabajo realizado es
directamente proporcional al calor generado al
frotar dos cuerpos entre sí

W jQ

j es el equivalente mecánico del calor
J
j 4,18
cal

28


T

Q m Ce T
Q LV m
100°C

Q m Ce T

Q Lf m

0°C ΔQ
Q m Ce T

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EJERCICIOS
1. Un calorímetro de aluminio de 100g contiene 200g
de agua a 30°C; en estas condiciones se introducen
150g de hielo a 0°C. Calcule la masa de hielo fundida
y la temperatura final del conjunto
2. En un vaso térmico que contiene un refresco a 25°C
se coloca un cubo de hielo de 15g a -5°C, ¿Cuál es
la temperatura final del refresco?, suponiendo que el
Ce del conjunto vaso térmico-refresco es 0,35ca lg 1 º C 1 y
la masa inicial del mismo 370g
3. Calcule el calor que se requiere para convertir 20 Kg
de hielo a -10°C en vapor de agua. El punto de fusión
del hielo y el punto de ebullición del agua a la presión
de 1atm valen respectivamente 0°C y 100°C
30


EJERCICIOS
4. Sobre un bloque de hielo a 0°C se coloca un pedazo
de hierro de 2Kg que tiene una temperatura de
650°C. Calcule la masa de hielo fundida si todo el
calor cedido por el hierro sirve para este propósito
5. Calcular la energía que hay que suministrarle a 200g
de cobre a la temperatura de fusión 1093°C para
fundirlo
6. Calcular la energía que hay que darle a 200g de
cobre a 903°C para que su temperatura se eleve a
1113°C (calor específico del cobre entre 900°C y
1083°C es 0,126cal/g°C y del cobre líquido es
0,101cal/g°C)
7. Calcular la energía necesaria para elevar la
temperatura de 150g de hielo de -10°C hasta 120°C
suponiendo la presión igual a la atmosférica
31


EJERCICIOS
8. Una cantimplora de aluminio cuya masa es 500g contiene 750g
de agua y 100g de hielo. Se deja caer la cantimplora desde un
avión a tierra. Después de la caída, se encuentra que la
temperatura de la cantimplora es 25°C. Suponiendo que durante
el impacto no se comunica energía al suelo, cuál será la
velocidad de la cantimplora un instante antes de su aterrizaje
9. Un automóvil cuya masa es 100Kg marcha a una velocidad
de 3m/s ¿Cuántas Kcal se producen en los frenos cuando
se detiene?
10. Una pieza de fundición cuya masa es 50Kg es sacada de un
horno en el que su temperatura es 500°C e introducida en un
tanque que contiene 400Kg de aceite a la temperatura de 25°C.
La temperatura final es 30°C. El calor específico del aceite
0,5Kcal/Kg °C ¿Cuál es el calor específico de la fundición?.
Despréciense la capacidad calorífica del tanque y todas las
pérdidas caloríficas. 32


EJERCICIOS
11. Un calorímetro contiene 500g de agua y 300g de
hielo, todo ello a la temperatura de 0°C. Se toma un
bloque metálico de un horno, cuya temperatura es
240°C y se deja caer rápidamente dentro del
calorímetro resultando que se produce exactamente
la fusión de todo el hielo. ¿Cuál sería la temperatura
final del sistema si hubiera sido doble la masa del
bloque?. Despréciense las pérdidas caloríficas del
calorímetro, así como su capacidad calorífica.
12. Un vaso cuya capacidad calorífica es despreciable
contiene 500g de agua a la temperatura de 80°C.
¿Cuántos gramos de hielo a la temperatura de -20°C
han de dejarse caer dentro del agua para que la
temperatura final del sistema sea de 50°C?
33


EJERCICIOS
13. Se dejan caer cubos de hielo a 0°C en un vaso que
contiene agua salada a 0°C ¿qué ocurre con el calor
que abandona el agua salada cuando su temperatura
desciende?

14. Hallar la temperatura resultante de la mezcla de
150g de hielo a 0°C y 300g de agua a 50°C

15. Una caldera de vapor es de acero tiene 400Kg de
masa y contiene 200Kg de agua. Suponiendo que
solo el 70% del calor comunicado se emplea en
calentar la caldera y el agua hallar el número de
calorías necesarias para elevar la temperatura del
conjunto desde 5°C a 85°C. El calor específico del
acero 0,11 cal/g°C
34


EJERCICIOS
16. Un frasco de vidrio cuyo volumen es
exactamente 1000cm3 a 0°C se llena
completamente de mercurio a esta temperatura.
Cuando frasco y mercurio se calientan a 100°C
se derraman 15,2cm3 del líquido si el
coeficiente de dilatación del mercurio es
0,000182°C-1, calcular el coeficiente de
dilatación del vidrio

17. Un eje de acero tiene un diámetro de 10cm a
30°C. Calcular la temperatura que deberá existir
para que encaje perfectamente en un agujero
de 9,997cm de diámetro. El coeficiente de
dilatación lineal del acero vale 11,2x10°C-1
35

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