CALOR I

Cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se colocan juntos, finalmente alcanzaránuna temperatura intermedia. A partir de esta observación, se puede decir con seguridad queel sistema que posee mayor temperatura ha cedido energía térmica al sistema de menortemperatura. La energía térmica perdida o ganada por los objetos se llama calor.

La idea del calor como una sustancia se debe descartar. No se trata de algo que el objetoposea, sino de algo que él mismo cede o absorbe. El calor es energía en tránsito, quepasa desde un objeto de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

La unidad de energía del SI, el joule es, por lo tanto la unidad usada por los científicos paramedir el calor, puesto que éste es una forma de energía. Sin embargo, hay tres antiguasunidades que aún se conservan. Estas primeras unidades se basaron en la energía térmicarequerida para producir un cambio patrón (estándar). Son la caloría, la kilocaloría y launidad británica (British termal unit) o Btu.

Nota:

El equivalente mecánico del calor nos dice que:

1 cal = 4,186J

Las calorías que vienen indicadas en los alimentos, son en verdad kilocalorías, es decir:

1 Caloria = 1.000 cal =1 kcal

C U R S O: FÍSICA MENCIÓN

MATERIAL: FM-20

fig. 1

T1 T2

T1 > T2

Calor

2

Conceptos

- Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un

gramo de agua en un grado Celsius.

- La capacidad calórica (C) de un cuerpo, es la relación del calor suministrado con

respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo. También la

podemos definir como la cantidad de calor necesario para elevar un grado la

temperatura de un cuerpo.

A partir de esta definición, se observa que al agregar Q unidades de calor a una sustancia

le producen un cambio de temperatura T, por lo tanto:

- El calor específico (c) de un material, es la cantidad de calor necesario para elevar un

grado la temperatura de un gramo de masa.

El calor específico del agua por definición es 1 cal/g°C y en la siguiente tabla se presentan

los valores para algunas sustancias:

C =QΤ

c =Cm

Sustancia cal/ g °Caceite 0,47agua 1,00

alcohol 0,66mercurio 0,033

cobre 0,093hielo 0,55

madera 0,42plata 0,056vidrio 0,20

aluminio 0,22

3

De la definición de calor específico y capacidad calórica, se puede determinar la energía

calórica Q transferida entre una sustancia de masa m y los alrededores para un cambio de

temperatura, como:

Observar que cuando se le agrega calor a una sustancia, la temperatura aumenta y Q es

positivo. Cuando se le quita calor a una sustancia, la temperatura disminuye y Q es

negativo.

La unidad de calor en el sistema internacional es el Joule, pero la más utilizada por

motivos históricos y didácticos es la caloría, cuya relación con la anterior es 1 cal = 4,18 J

(equivalente mecánico del calor).

Conservación de la Energía Calórica

Cuando dos cuerpos A y B de distintas temperaturas se ponen dentro de un calorímetro,

entran en contacto térmico y al cabo de un tiempo se logra el equilibrio térmico.

Considerando que el calor que uno cede lo absorbe el otro, se tiene:

o bien

Calorímetro: recipiente en cuyo interior ocurren los cambios de calor. El calorímetro está

aislado térmicamente para evitar perdidas de calor. Teóricamente, el calorímetro no debería

interferir en los cambios de calor entre los cuerpos colocados en su interior. La capacidad

calórica del calorímetro será considerada nula en los cálculos, a menos que se

especifique lo contrario.

Q = m · c · T

QA + QB = 0

mA · cA · TA = -mB · cB · TB

4

EJEMPLOS

1. Cuando un bloque de hielo que se encuentra a 0 ºC recibe 3.200 calorías, la cantidadde masa que se transforma en agua, considerando que LF = 80 cal/g, es

A) 3.200 gB) 800 gC) 100 gD) 40 gE) 32 g

2. En un calorímetro se vierten dos masas de agua a diferentes temperaturas, 100 g queestán a 40 ºC y 50 g a 80 ºC, entonces la temperatura que se alcanzará en el equilibriotérmico es aproximadamente

A) 160,0 ºCB) 80,0 ºCC) 63,4 ºCD) 60,0 ºCE) 53,3 ºC

3. En un calorímetro de capacidad térmica despreciable se mezclan 2m gramos de agua a20 °C con m gramos de agua a 80 °C. ¿Cuál será la temperatura de esta última cuandoel agua que estaba a 20 °C alcance una temperatura de 30 °C?

A) 70 °CB) 60 °CC) 55 °CD) 50 °CE) 40 °C

4. Se le suministra 1000 calorías a 200 gramos de una sustancia, con lo cual esta eleva sutemperatura en 25º C. El calor específico de esta sustancia medido en las unidadesantes mencionadas es

A) 0,2B) 0,3C) 0,4D) 0,5E) 1,0

5

PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

1. Una persona de 50 kg de masa está parada sobre sus patines sobre una pista de hielo.En cierto momento la persona arroja una caja de 20 kg, que tenía en sus manos, paraque se deslice sobre la pista. Si la caja salió con una rapidez de 8 m/s, entonces eldesgaste de energía que tuvo la persona al arrojar el objeto, expresado en calorías yaproximando 1 cal = 4 J, es

A) 0 calB) 160 calC) 400 calD) 640 calE) 1.600 cal

2. En un calorímetro de capacidad calorífica despreciable se mezclan 200 g de agua con400 g de una sustancia desconocida. Se observa que la temperatura de la sustanciadesciende en 40 °C por cada 8 °C de aumento en la temperatura del agua, entoncesusando estos datos es correcto afirmar que el calor específico de la sustanciadesconocida, en cal/°C·g, es

A) 0,01B) 0,10C) 0,30D) 0,40E) 0,50

3. En un día de verano, se tiene una jarra conteniendo limonada a la temperaturaambiente y se desea enfriarla a la temperatura más baja posible. ¿Será másconveniente introducir en la jarra 25 g de hielo a 0 ºC, o introducir 25 g de agua heladaa 0 ºC?

A) 25 g de hielo a 0ºC.B) 25 g de agua helada a 0 ºC.C) Cualquiera de los dos anteriores.D) La decisión depende de la cantidad de limonada.E) La decisión depende de la temperatura a que se encuentra la limonada.

4. Si 540 g de hielo a 0 ºC se mezclan en lugar aislado con 540 g de agua a 80 ºC,entonces la temperatura final de la mezcla es de (Calor de fusión del hielo = 80 cal/g)

A) 0 ºCB) 20 ºCC) 40 ºCD) 60 ºCE) 80 ºC

6

5. Dos cuerpos, A y B, que tienen temperaturas tA = 90 ºC y tB = 20 ºC son puestos encontacto y aislados térmicamente del medio ambiente. Ellos alcanzan el equilibriotérmico a temperatura de 45 ºC. En estas condiciones podemos afirmar que el cuerpoA,

A) cedió una cantidad de calor mayor que la que absorbió B.B) tiene capacidad calorífica menor que la de B.C) tiene calor específico menor que el de B.D) tiene masa menor que la de B.E) tiene densidad menor que la de B.

6. La cantidad de calor necesaria, en promedio, para aumentar en un grado Celsius latemperatura de una sustancia, se denomina

A) calor latente.B) calor de vaporización.C) calor de fusión.D) calor específico.E) capacidad calorífica.

7. En un recipiente térmicamente aislado hay dos cuerpos cúbicos hechos del mismomaterial. El más pequeño de arista L se ubica sobre el más grande de arista 2L. Siinicialmente el más pequeño tenía una temperatura de 20 °C y el más grande estaba a35 °C, entonces la temperatura que se alcanzará en el equilibrio es (aproxime si esnecesario)

A) 300,5 °CB) 43,5 °CC) 33,3 °CD) 30,0 °CE) 28,9 °C

8. Un sólido uniforme, se divide en dos partes de masas m1 y m2. Si ambas partes recibenla misma cantidad de calor, la masa m1 eleva su temperatura en 1 ºC, mientras que lamasa m2 eleva su temperatura en 3 ºC, entonces m2 : m1 =

A) 3 : 1B) 1 : 2C) 1 : 3D) 1 : 6E) 6 : 1

7

9. Dos cuerpos a diferentes temperaturas son encerrados en un recipiente aislante. El quesufre menor variación de temperatura es el de

A) mayor masa.B) mayor calor específico.C) mayor capacidad calorífica.D) mayor temperatura.E) nada se puede afirmar.

10. Se tienen 10 litros de agua a 80 ºC y se quiere bajar su temperatura hasta los 77 ºCsumergiendo una barra de aluminio de 1 kg. ¿Qué temperatura aproximada debe tenerla barra de aluminio? (Calor específico del Aluminio = 0,22 cal /g ºC)

A) 59 ºCB) -59 ºCC) -172 ºCD) -96 ºCE) -78 ºC

11. El gráfico de la figura 2 muestra la temperatura de una muestra de masa 100 g de unasustancia, en función de la cantidad de calor absorbida por ella. El calor específico de la

sustancia, encal

g ºC

es

A) 3,2B) 32C) 80D) 160E) 0,2

12. Una sustancia de 450 g se divide en dos partes, luego se le suministra la mismacantidad de calor a cada una de las partes. Se observa que el primer trozo cambia sutemperatura en 10 °C y la otra parte la cambia en 20 °C. Con los datos entregados lasmasas de cada parte son

A) 150 g y 300 gB) 100 g y 200 gC) 50 g y 100 gD) 200 g y 400 gE) 120 g y 240 g

T (ºC)

Q (cal)

80º

20º

1.200

fig. 2

8

13. Dos cuerpos X e Y reciben la misma cantidad de calor por minuto. En 5 minutos latemperatura de X aumenta 30 ºC y la de Y 60 ºC. Se puede afirmar correctamente que

A) la masa de Y es el doble de la de X.B) el calor específico de X es el doble del de Y.C) el calor específico de Y es el doble del de X.D) la capacidad calorífica de X es el doble de la de Y.E) la capacidad calorífica de Y es el doble de la de X.

14. El gráfico de la figura 3 representa la cantidad de calor absorbida por dos cuerpos M yN de masas iguales, en función de la temperatura. ¿Cuál es la razón entre los caloresespecíficos de los cuerpos N y M, respectivamente?

A) 2 : 1B) 2 : 3C) 3 : 2D) 1 : 4E) 1 : 2

15. Dos cuerpos A y B, absorben la misma cantidad de calor, sin embargo el cuerpo Aaumenta su temperatura el doble de lo que la aumenta el cuerpo B. Esto es porque

A) A tiene la mitad de la capacidad calorífica que B.B) A tiene el doble de la capacidad calorífica que B.C) B tiene la mitad del calor específico que A.D) B tiene el doble del calor específico que A.E) se debe a otros factores.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1D 2E 3B 4A

DMONFM-20

300

200

100

10 20

Q (cal)

T (ºC)30 40

N

M

fig. 3

Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra webhttp://www.pedrodevaldivia.cl