3: CALOR Y CAMBIOS DE FASE DEL AGUA3.1 INTRODUCCINEl calor es unaformade energaque se transfiere de uncuerpoaotronicamente envirtud de sudiferencia de temperaturas. Todo cuerpo estconstituido por un conjunto muy grande de tomos y molculas y la suma de lasenergas cinticas y potenciales de todas las partculas constituyentes del cuerpose denomina energa interna. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto trmico,el cuerpoqueseencuentraamayor temperaturatransfierepartedesuenergainternaal cuerpodemenor temperatura. staenergatransferidasedenominacalor o energa trmica. Por ejemplo, cuando calentamos agua, inicialmente a latemperatura ambiente, el flujo de calor desde la cocina ocasiona que la energainternadelasmolculasdel aguaseincrementeyahorastassemueanconmayor rapide!, lo cual es ms isible a medida que alcan!an la temperatura deebullici"n. #os cambios de fase de una sustancia son procesos que inolucran transferenciadeenergacalorficaa temperatura constante ylosms comunesque podemosapreciar, yaqu presentamos, sonloscambios defasedel aguaalapresi"natmosfrica.3.2 EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR$ames P. $oule %&'&'(&')&*, cientfico ingls, en &'+, demostr"e-perimentalmente que el calor es una forma de energa. .n su e-perimento, erfig.,.&, un conjunto de pesos se dejan caer desde una altura determinada,haciendo girar las paletas que se encuentran dentro de un recipiente aislante conagua, es decir, se efect/a un trabajo mecnico sobre el agua. .l equipo se dise0ade manera que la prdida de energa por fricci"n %en poleas, cojinetes, etc.* seadespreciable. 1s, la energa potencial mecnica de las pesas aparece comoenergaparacalentarel agua. $ouleencontr"queporcada+,&'2$detrabajomecnico que se reali!aba, la temperatura de ungramo de agua se incrementabaen &3C. 4i designamos como una cal!"a# a la can$%&a& &' cal! (u' n'c')%$aun *!a+ &' a*ua ,a!a %nc!'+'n$a! )u $'+,'!a$u!a 'n 1-C# entonces5& cal 6 +,&'2 $starelaci"nseconocecomoel equialentemecnicodel calor, lacual nosproporciona un factor de conersi"n entre caloras y $oules.3.3CA.ACIDAD CALOR/FICA Y CALOR ES.EC/FICOCA.ACIDAD CALOR/FICA#as sustancias difieren entre s en la cantidad de calor que necesitan parae-perimentar el mismo cambiode temperatura. Por ejemplo, &7gde aguanecesita & 7cal %& 888 caloras* para elear su temperatura en &3C, mientras que &7g de aluminio necesita solamente 8,99 7cal para incrementar su temperatura en&3C. sta caracterstica que tienenlas diferentes sustancias se le denomina Term"metro Peso Peso:ecipiente1islante:ueda de Paletas 1guaF%*u!a 3.1;ispositioe-perimental de $oule para determinar el equialente mecnico del calor.capacidad calorfica. .n general, si un cuerpo recibe una cantidad de calor < ycon ello su temperatura se incrementa en T, su capacidad calorfica es5 T 7g de aluminio es igual, &7cal=3C.4edefineel calorespecficodeunasustanciacomolacantidaddecalorquenecesita la unidad de masa para incrementar su temperatura en &3C, e-presadomatemticamente5T m*#oscaloreslatentesdeunasustanciasonigualesparaprocesosinersos, porejemplo, los calores latentes de fusi"n y solidificaci"n son iguales y los caloreslatentes de apori!aci"n y condensaci"n, tambin. CAMBIOS DE FASE DEL AGUA.n la fig. ,.9, se grafica temperatura Bs calor para ilustrar los cambios de faseque e-perimenta &7gde hielo, inicialmente a C&83C, ubicadodentrode unrecipiente abierto al aire, al cual se le suministra calor a ritmo constante. ;entrodel recipienteseubicaunterm"metropararegistrarlatemperaturaentodoelproceso. .l calor latente de fusi"n del agua %igual al de solidificaci"n*, es5#D 6 #4 6 '8 7cal=Eg.l calor latente de apori!aci"n del agua %igual al de condensaci"n*, es5#B 6 #C 6 >+8 7cal=Eg3.1 CALOR/METRO DE ME2CLAFncalormetroes unrecipientequesedise0ayseconstruye demodoquetrmicamente se encuentre aislado, impidiendo el flujo calorfico entre el interioryel e-terior del calormetro. .nlafig.,.+semuestra esquemticamente uncalormetro. Fnadelas aplicaciones ms importantes del calormetroes ladeterminaci"n del calor especfico de las diferentes sustancias, usando un medio>'> &'> G9> >+8 7cal '8 7cal &88383 (&83T %3C* < %7cal* Bapori!aci"nCondensaci"n Calentamiento.nfriamientoDusi"n 4olidificaci"nBapor :ecalentado F%*u!a 3.2 Hrfica de la temperatura Bs el calor para &7g de hielo, inicialmente a C&83C, el cual es apori!ado.4e trata tambinde representarel procesoinerso de enfriamiento desde la fase apor a la fase s"lida. Term"metrorefrigerantedecalorespecficoconocido%enel calormetroquemostramoselrefrigerante es agua*..n una tcnica conocida como @me!claA, para determinar el calor especfico, secalientaunamuestrademasa@mAhastaunatemperaturaTc, yluegostaseintroduce dentro del calormetro con agua %agua y calormetro se encuentran a latemperatura Ta*. 4e registra la temperatura de equilibrio del sistema Te y haciendouso de la ley de conseraci"n de la energa, es decir, la energa calorfica perdidapor la muestra caliente debe ser igual a la energa calorfica ganada por el agua yel calormetro, obtenemos la siguiente relaci"n5* T T % m c * T T % m c * T %T m ca e calorm calorm a e a a e c - + = ,%,.2*;"nde5ma, es la masa de agua en el calormetro,ccalorm, es el calor especfico del recipiente calorimtrico y,mcalorm, es la masa del recipiente calorimtrico.F%*u!a 3.0. Calormetro de me!cla Term"metro 1gua Tapa aislante Pared aislante Iuestra de ensayo#acantidad, ccalormmcalorm, es lacapacidadcalorficadel calormetro. .nlostrabajos tcnicos, es usual reportar la capacidad calorfica del calormetromediante el equialente en agua del calormetro. .l equialenteenaguadeuncalormetro, B,esunamasadeaguaconigualcapacidad calorfica que el calormetro, esto es5caB 6 ccalorm mcalorm1s, el equialente en agua se e-presa en unidades de masa. Por ejemplo, si elequialente en agua de un calormetro es B 6 9 gramos, la capacidad calorficadel calormetro es 9 cal=3C. 1 partir de la ec. %,.2*, haciendo uso del equialente en agua del calormetro, larelaci"n para determinar el calor especfico de la muestra es5

* T %* T ( B*%T c %c ea e a a+=caxT mmc,%,.G*3.3 .ROBLEMAS .RO.UESTOS1. J g de agua a ,> KCL.1* 9,>9 gM* >,9+ gC* G,>& g;* ',G> g.* ),+& g2. JCuntos cubosde hielo de &8 g a 8K C se requieren para enfriar un aso, cuyacapacidad calorfica es de >+8 cal=KC, que contiene &88 g de refresco a 98K Cde modo que su temperatura descienda hasta 8KCL1* &8M* &9C* &2;* &'.* 983. Fna herradura de hierro de 9,88 Eg inicialmente a )88 KC se sumerge en unrecipiente que contiene 98 Eg de agua lquida a 98 KC. #a temperatura final deequilibrio en KC, es5 %Considere que el recipiente es completamente adiabtico,para el hierro c 6 8,&9 cal=g KC*.1* 9+,>M* 9',2C* ,8,+;* ,+,'.* ,',90. 4i se suministra &9,' 7cal a +8 gramos de hielo a (&8 KC, la masa del apor deagua que se obtiene,en g, es5 1* 28 M* +8C* ,8;* 98.* &81. Parafundir completamentedos muestras, apartir desus temperaturas, defusi"n, se requieren ,+8;* 9,)2.* &,9,4. Fn bloque de hielo de ,88 g a (98 KC se sumerge en un dep"sito con agualquida a 8 KC. #a masa de agua que se congela sobre el bloque de hielo, en g,es51* 9),+M* ,G,>C* ,),G;* +&,2.* +>,95. Fn recipiente con agua est en equilibrio a ,8 KC. .l recipiente est hecho de&88 gramos de aluminio %c1l6 8,99 Cal=gKC* y contiene &'8 gramos de agua.Para enfriar el sistema se a0aden &'8 gramos de hielo a 8 KC..ntonces lacantidad del hielo que quedo en el agua es51* &8+,9 gM* G>,G> gC* &'8,8 g;* )8,&> g.* 2>,2+ g6. .n un diagrama de temperatura(calor se muestra el calentamiento y cambio defase de una pie!a metlica. #os alores de sus calores especficos en sus fasess"lida y liquida son 8,& cal=g3C y 8,9 cal=g3C, respectiamente. ;etermine elalor del calor latente de fusi"n, en cal=g.1* &,9>M* 9,+>C* ,,&';* +,&>.* >,&917. .l diagrama muestra el calentamiento y la fusi"n de cierto metal, si # 6 +)cal=g, halle el calor especfico, en cal=g KC, en la fase lquida.1* 8,8> cal=g KCM* 8,&8 cal=g KCC* 8,&> cal=g KC;* 8,98 cal=g KC.* 8,9> cal=g KC11. .n un dep"sito aislado trmicamente hay > litros de agua del cual se e-trae &litro y leantndolo una altura @NA es dejado caer al mismo dep"sitoobserndose que la temperatura aumenta en 8,88)'3C. Nalle @NA %en m*. .lcalor especfico del agua es +&'8 $=7g3C. Considere g 6 ),' m=s9.1* &9,) M* &2,> C* 98,) ;* 9+,2 .* 9',,8003760T%KC*Q(Cal)6020-5T(C)83C y @-A gramos de hielo a 83C. Calcular @-A, si latemperatura de equilibrio es de &83C. 1* >8M* +8C* &88;* '8.* 2813..n un calormetro de equialente en agua despreciable se tienen @mA g deagua a &>3C.4i se introducen &88g de un cierto metal a 283C la temperaturade equilibrio es de ,83C pero si dicho metal se introduce en @9mA g de agua a&>3C, entonces la temperatura de equilibrio en 3C ser51* 9+M* &+C* ,8;* 98.* +810.Fsando un calentador de +88 O se prepara una jarra de t, para lo cual se debehacer herir medio litro de agua desde la temperatura inicial de 98KC. Nalle eltiempo necesario para esto.%& cal 6 +,&' $*1* >,9> minutosM* 2,)2 minC* G,)' min;* ',)& min.* ),'& min11. Nalle la altura desde la cual se debe dejar caer un cuerpo cuyo calor especfico esde 8,> cal= g KC, para que su temperatura se incremente en &,9 KC. Considere queen el choque toda la energa mecnica del cuerpo se conierte en calor que ganael mismo cuerpo %& cal 6 +,9 $ y g 6 &8 m=s9*.1* 9+8 mM* 9+> mC* 9+' m;* 9>9 m.* 928 m