TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: CALOR.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

- Utiliza la teoría cinética para explicar la temperatura de los cuerpos.

- Explica el calor como un proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos.

- Plantea y resuelve problemas utilizando los conceptos de calor específico y de calor latente.

- Enumera y explica los diferentes efectos del calor sobre los cuerpos.

- Aplica el principio de conservación de la energía a situaciones cotidianas.

- Enumera y explica los diferentes mecanismos de propagación del calor.

CALOR

• Equilibrio térmico:

Cuando se ponen en contacto dos sistemas materiales a diferente temperatura, evolucionan de manera que al final se igualan las temperaturas de ambos, llegando a lo que se llama equilibrio térmico. Ejemplo: Si un trozo de hierro caliente a 200 ºC lo echamos en agua fría a 18 ºC, el hierro se enfría y el agua se calienta un poco, de forma que al final la temperatura del hierro y del agua son iguales, p. ej., 27 ºC.

Si hacemos un estudio energético del proceso tendremos que decir:

Estado inicial: El hierro tiene una determinada energia interna por estar a 200 ºC y el agua tiene otra energía interna por estar a 18 ºC.

Estado final: La energía interna del hierro es menor que la que tenía antes (ya que ha bajado la temperatura) mientras que la energía interna del agua es mayor que la que tenía antes (ha aumentado su temperatura).

Lo que ha disminuido la energía interna del hierro (supongamos que ha sido 500 julios) es igual a lo que ha aumentado la energía interna del agua (suponiendo que no hay pérdidas al medio ambiente) ya que como sabemos la cantidad total de energía es siempre la misma (Principio de conservación de la energía). Recuerda, a partir de ahora, CALOR GANADO = CALOR CEDIDO

• Calor: 

 Los científicos llaman CALOR (o energía térmica) al valor de la energía transferida entre dos sistemas a causa de una diferencia de temperatura entre ambos y a la energía puesta en juego cuando se produce un cambio de estado. El calor es energía en tránsito.

Los cuerpos NO tienen CALOR. Los cuerpos tienen ENERGÍA INTERNA Se denomina energía interna de un cuerpo a la suma de todas las energías cinética y potencial de cada una de las partículas que lo forman.

1) ¿De qué factores dependerá el calor necesario para calentar una sustancia?

2) Señala si te parecen adecuadas  las siguientes expresiones para calcular el calor, Q, intercambiado por un sistema, e indica el motivo de tu elección:

  a) Q = m + k . (Tf + Ti) b) Q = m . k/(Tf – Ti) c) Q = m . (Tf – Ti) . k

El calor intercambiado por un sistema cuando pasa de una temperatura inicial Ti, a una final Tf, depende de la masa del sistema, de la variación de temperatura que experimenta y de la naturaleza de la sustancia que forma el sistema. Este factor, es decir, la naturaleza del sistema, se incluye como una constante característica de cada sustancia y recibe el nombre de calor específico:

∆E = Q = m . ce . ∆T = m . ce . (Tf – Ti)

Q > 0 Tfinal > Tinicial AUMENTA LA ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA. ABSORBE CALOR.

Q < 0 Tfinal < Tinicial DISMINUYE LA ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA. CEDE CALOR.

- El calor es una magnitud física. Su unidad en el S. I. es el JULIO, que es el calor para aumentar 1ºC la temperatura de 0,24 g de agua. - Otra unidad muy utilizada es la CALORÍA, que es el calor necesario para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 g de agua pura, de 14,5 a 15,5 ºC a la presión de 1 atm. 1 cal = 4,18 J (Equivalente mecánico del calor)

• Calor específico:

3) a) Quieres calentar 1 kg de agua y 1 kg de alcohol, ambos desde la misma temperatura inicial hasta la misma temperatura final. ¿En qué caso necesitarías más energía? ¿Por qué?

b) Suministrando la misma cantidad de energía,  ¿qué aumentará más de temperatura: 1 kg de agua o 1 kg de hierro?¿Por qué?

c) Hay en la tabla de datos alguna sustancia cuyo calor específico sea mayor que el del agua? Según eso ¿qué sustancia necesita más energía para experimentar el mismo aumento de temperatura?

Por tanto, el calor específico de una sustancia es la energía necesaria para cambiar (aumentar o disminuir) en 1ºC la temperatura de un gramo de dicha sustancia.

Si te fijas en la tabla de calores específico, la sustancia con mayor calor específico es el agua.  Los metales y los sólidos en general tienen un calor específico pequeño. Esto puede explicar la diferencia entre los climas continentales y costeros. El mar tiene una gran inercia térmica (tarda más en enfriarse y calentarse que la tierra) lo que provoca unos vientos (brisas) en las zonas costeras que son las responsables de los climas más templados.

• Cálculo de la variación de energía interna de una sustancia cuando cambia la temperatura.

Hemos visto que el calor intercambiado por un sistema cuando cambia su temperatura puede calcular con la ecuación:  

∆E = Q = m . ce . ∆T = m . ce . (Tf – Ti)

Donde:  m = masa del cuerpo (kg), ce = calor específico (J/kg.ºC  o cal/g.ºC )

     ∆T = Incremento de temperatura (ºC), siendo la temperatura una medida de la energía  cinética media de las partículas de un cuerpo.

4) a) ¿Cuánta energía es necesaria para calentar 400 g de agua del grifo desde una temperatura de 18 ºC hasta una temperatura de 40 ºC?

b) ¿Cuánta energía es necesaria para calentar 400 g de cobre desde 18 ºC hasta 40 ºC? Compáralo con el resultando anterior.

c) Queremos freír pescado. ¿Qué cantidad de calor necesitaremos para calentar 250 g de aceite desde la temperatura ambiente de 25 ºC  hasta la de 190 ºC? (ce(aceite) = 1 675  J/kg.ºC)

d) ¿Cuánta energía pierde 1 kg de hierro (Fe) cuando se enfría desde 800 ºC hasta la temperatura ambiente (20 ºC)? Expresa el resultado en julios y calorías.

e) Calcula la cantidad de calor que tienen 250 gramos de cobre a 200 ºC.

5) Con un hornillo eléctrico cuya potencia es 500 W queremos calentar 400 g de leche (ce = 0,9 cal/g.ºC) desde 10 hasta 50 ºC.

a) ¿Qué energía será necesaria para calentar la leche?

b) ¿Qué tiempo deberá funcionar, como mínimo, la hornilla?

• ¿Qué es el frío?

En el lenguaje cotidiano utilizamos el término "frío" con muchos significados distintos. El "frío" no es una palabra necesaria en la ciencia. Todas las expresiones que se refieren al "frío" pueden explicarse de otra forma, utilizando palabras como "temperatura" y energía interna. Por ejemplo, la expresión "entra frío por la ventana" se explicaría diciendo que entra aire a baja temperatura por la ventana mientras que sale de la clase aire caliente disminuyendo la temperatura media de la habitación.

Cuando enfríamos algo lo que hacemos en realidad es poner en contacto dos sistemas que están a distintas temperaturas, disminuyendo la energía interna del que está a mayor temperatura y aumentando la energía del que está a menor temperatura.

• Efectos del calor sobre los cuerpos

1. Cambios de temperatura. Efecto estudiado en puntos anteriores, resumimos diciendo que si el cuerpo absorbe calor, Q > 0 y lo contrario, si pierde.

2. Cambios de estado. La cantidad de una sustancia que cambia de estado depende de la cantidad de calor que se le comunica y del tipo de sustancia.

Q = m. L  

donde, m es la masa y L es el calor latente de un cambio de estado (cantidad de calor que hay que comunicar a una sustancia para que expermente el cambio de estado a la temperatura de ese cambio de estado). Se habla del calor latente de fusión (Lf) y del calor latente de vaporarización (Lv). El calor latente se mide en J/Kg en el S.I.

3. Cambio de tamaño. Casi todos los cuerpos aumentan de tamaño cuando se calientan, se dilatan. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos y, estos, que los sólidos. Por el contrario, cuando se enfrían disminuyen su volumen, se contraen.

• Mecanismos de transmisión del calor.

La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro, o entre dos partes de un mismo cuerpo, se puede hacer por conducción, convección o radiación.

1. La conducción es el modo en que se transmite la energía térmica en los sólidos. La energía se propaga gracias a los choques que se producen entre las partículas "calientes" y sus vecinas. Existen cuerpos que son muy buenos conductores como los metales y otros, como la madera, que conducen muy mal el calor y se utilizan como aislantes térmicos.

2. La convección es el modo en que se transmite la energía térmica en los fluidos. La energía se propaga porque se produce un transporte de materia. Existe convección en una olla, alrededor de un radiador (el aire caliente sube / el aire frío baja) y en las células convectivas del manto terrestre.

3. La radiación es el modo en que se transmiten la energía térmica entre dos cuerpos sin que exista ningún tipo de contacto material entre ellos. Se propaga por medio de ondas electromagnéticas y es la única forma en que se transmite energía térmica en el vacío. Es la forma en la que nos llega el calor del Sol o percibimos el calor de una bombilla sin llegar a tocarla.

Recuerda: 

- La temperatura absoluta se suele representar con T (mayúscula), mientras que en las otras escalas, escala centígrada y Fahrenheit, se representa por la letra t (minúscula).

- La escala Kelvin comienza en el cero absoluto (0 K), que es la temperatura más baja posible, a la cual las partículas de los gases no se mueven. Equivale a -273,15 ºC

PROBLEMAS

6) Un día de verano en la ciudad de Nueva York se puede leer que un termómetro electrónico situado en la calle marca 98 grados. ¿Es esto posible? (Recuerda: T(ºC)/100 = (T (ºF) – 32) / 180)

7) Analiza teóricamente todas las etapas y energías implicadas en la transformación de hielo a -5 ºC a vapor de agua a 110 ºC.

8) ¿Qué cantidad de calor se necesita para fundir totalmente100 g de hielo que se encuentra a -5ºC? Tomad cehielo = 2 090  J/(kg.ºC) y Lfusión = 334,4 kJ/kg

9) ¿Qué cantidad de calor hay que comunicar a 100 gramos de agua a  -12 ºC para transformarlo en vapor de agua a 100  ºC? Datos: c_e(hielo) = 2 100 J/kg.ºC; c_e(agua) =  4 180 J/kg.^oC; L_fusión = 3,35.10⁵ J/kg; L_{vaporización} = 2,2.10⁶ J/kg

10) Un calorímetro es un sistema aislado en el que no hay intercambio de energía con el entorno. En el equilibrio, se cumple que: calor cedido por el cuerpo + calor ganado por el agua + calor ganado por el calorímetro = 0.  Resuelve el siguiente problema:

En un calorímetro, cuyo equivalente en agua son 10 g, que contiene 100 g de agua a 20 ºC, se introduce un cuerpo de 20 g a una temperatura de 80 ºC, siendo la temperatura final de la mezcla de 25 ºC. ¿Cuál es el calor específico del cuerpo?

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