Calorimetría

Rama de la física que se encarga de estudiar el comportamiento térmico de los cuerpos.

Calor

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.

Temperatura

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no el calor que 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. 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.

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.

Unidades de Cantidad de Calor (Q)

Las unidades de cantidad de calor (Q) son las mismas unidades de trabajo (T).Sistema de MedidaSistema Internacional (S.I.) o M.K.S.Sistema C.G.S.

Unidad de MedidaJoule (J)Ergio (erg)

Hay otras unidades usadas como Caloría (cal), Kilocaloría (Kcal), British Termal Unit (BTU).Caloría: es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C a la presión de 1 atmósfera (Presión normal).

Relación entre unidades

1 cal = 4,186 J1 kcal = 1000 cal = 10³ cal1 BTU = 252 cal

Calor de combustión

Es la razón entre la cantidad de calor (Q) que suministrada por determinada masa (m) de un combustible al ser quemada, y la masa considerada.Qc...Calor de combustión (en cal/g)

Qc = Q/m

Capacidad térmica de un cuerpo

Es la relación entre la cantidad de calor (Q) recibida por un cuerpo y la variación de temperatura (Δt) que éste experimenta. Además, la capacidad térmica es una característica de cada cuerpo y representa su capacidad de recibir o ceder calor variando su energía térmica.C...capacidad térmica (en cal/°C)

Calor específico de un cuerpo

Es la razón o cociente entre la capacidad térmica (C) de un cuerpo y la masa (m) de dicho cuerpo.Además, en el calor específico se debe notar que es una característica propia de las sustancias que constituye el cuerpo, en tanto que la capacidad térmica (C) depende de la masa (m) y de la sustancia que constituye el cuerpo.C...calor específico (en cal/g.°C)

También, debemos notar que el calor específico de una sustancia varía con la temperatura, aumentando cuando está aumenta; pero en nuestro curso consideraremos que no varíaEl calor específico del agua es la excepción a está regla, pues disminuye cuando la temperatura aumenta en el intervalo de 0 °C a 35 °C y crece cuando la temperatura es superior a 35 °C.En nuestro curso consideraremos el calor específico (c) del agua "constante" en el intervalo de 0 °C a 100 °C y es igual a 1 cal / g x °C

Tabla del calor específico de algunas sustancias

C agua = 1 cal/g.°CC hielo = 0,5 cal/g.°CC aire = 0,24 cal/g.°CC aluminio = 0,217 cal/g.°CC plomo = 0,03 cal/g.°C

C hierro = 0,114 cal/g.°CC latón = 0,094 cal/g.°CC mercurio = 0,033 cal/g.°CC cobre = 0,092 cal/g.°CC plata = 0,056 cal/g.°C

Ecuación fundamental de la calorimetría

Observación: Para que el cuerpo aumente de temperatura; tiene que recibir calor, para eso la temperatura tf debe ser mayor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor recibido.

tf> to → calor recibido (Q > 0)Para disminuir la temperatura; tiene que ceder calor, para eso la temperatura tf debe ser menor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor cedido.

tf< to → calor cedido (Q < 0)

Calor sensible de un cuerpo

Es la cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo al sufrir una variación de temperatura (Δt) sin que haya cambio de estado físico (sólido, líquido o gaseoso).Su expresión matemática es la ecuación fundamental de la calorimetría.

Qs = m.c.Δtdonde: Δt = tf - to

Calor recibido y calor entregado

Supón que tienes un pedazo de fierro a 20 ºC. Lo calientas y ahora está a 80ºC. Pregunta: ¿Cómo sabes que cantidad de calor le entregaste? Respuesta : La fórmula que se usa para calcular esto es:

En esta fórmula Q es el calor que recibió o que entregó el cuerpo. Puede ir en cal o en Kcal. (Según en qué unidades hayas puesto el calor específico c). Si Q te da (+) el cuerpo recibió calor (se calentó). Si Q te da (-) el cuerpo entregó calor. (Se enfrió). Atención con esta convención de signos porque es importante. m es la masa del cuerpo. Va en kg o en g. Tf y Ti son las temperatura final e inicial que tiene el cuerpo. Van en ºC. Vamos ahora a lo más importante... ¿qué es c? c es lo que se llama CALOR ESPECIFICO DEL CUERPO. Sus unidades son:

El calor específico es una cantidad que me dice cuantas kilocalorías hay que entregarle a un Kg de una substancia para lograr que su temperatura aumente en 1 ºC. Cada substancia tiene su propio calor específico. Los tipos los midieron y los pusieron en unas tablas que andan dando vuelta por ahí. Por ejemplo, el calor específico del agua vale 1. El del hierro vale 0,1. Eso quiere decir que es 10 veces más difícil calentar agua que hierro. (Hay que entregar 10 veces más energía ). Al agua no le gusta ser calentada. Se opone.

Resumiendo: El calor específico de un cuerpo vendría a ser una especie de inercia térmica. Es una magnitud que me da una idea de la resistencia que opone un cuerpo a ser calentado o enfriado. ( a cambiar su temperatura , digamos ).

Calor latente de un cuerpo: es aquel que causa en el cuerpo un cambio de estado físico (sólido, líquido o gaseoso) sin que se produzca variación de temperatura (Δt), es decir permanece constante.

QL = m.L

CAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTANCIA Se llama cambio de estado, al fenómeno que consiste en el paso de un estado cualquiera a otro, por adición o sustracción de calor.

Es la cantidad de calor que se le debe adicionar o quitar a la unidad de masa de una sustancia, para que cambie de estado. En un cambio de estado, la temperatura permanece constante. Existen dos tipos de calor latente:A) Calor Latente de Fusión (Lf)

Lf = 80 cal/g Lf = 144 B.T.U. / lb

B) Calor latente de Vaporización (Lv)

Lv = 540 cal/g Lv = 970 B.T.U. / lb

Ejemplo: Calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de 50 g que está a - 30 ºC para derretirlo y obtener agua a 0 ºC. Veamos. Primero tengo que llevarlo de –30 ºC a 0 ºC. La cantidad de calor a entregar es:

Principios de la Calorimetría

1er Principio: Cuando 2 o más cuerpos con temperaturas diferentes son puestos en contacto, ellos intercambian calor entre sí hasta alcanzar el equilibrio térmico.Luego, considerando un sistema térmicamente aislado, "La cantidad de calor recibida por unos es igual a la cantidad de calor cedida por los otros".2do Principio: "La cantidad de calor recibida por un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de calor cedida por él en la transformación inversa".

Calorimetría – Problemas

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- El calor de combustión de la nafta es 11*10³ cal /g. ¿Cuál es la masa de nafta que debemos quemar para obtener 40*107 cal?.3- Para calentar 800 g de una sustancia de 0 °C a 60° °C fueron necesarias 4.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia.4- Para calentar 2.000 g de una sustancia desde 10 °C hasta 80° °C fueron necesarias 12.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia.5- ¿Cuál es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 200 g de cobre de 10 °C a 80 °C?. Considere el calor específico del cobre igual a 0,093 cal /g °C.6- Considere un bloque de cobre de masa igual a 500 g a la temperatura de 20 °C. Siendo: c cobre = 0,093 cal /g °C. Determine: a) la cantidad de calor que se debe ceder al bloque para que su temperatura aumente de 20 °C a 60 °C y b) ¿cuál será su temperatura cuando sean cedidas al bloque 10.000 cal?7- Un bloque de 300 g de hierro se encuentra a 100 °C. ¿Cuál será su temperatura cuando se retiren de él 2.000 cal? Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g °C.8- Sean 400 g de hierro a la temperatura de 8 °C. Determine su temperatura después de haber cedido 1.000 cal. Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g °C.9- Para calentar 600 g de una sustancia de 10 °C a 50 °C fueron necesarias 2.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia.10- ¿Cuál es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 300 g de cobre de 20 °C a 60 °C?. Siendo: c cobre = 0,093 cal /g °C.11- Sea 200 g de hierro a la temperatura de 12 °C. Determine su temperatura después de haber cedido 500 cal. Siendo: c hierro = 0,11 cal /g °C.12- Transforme 20 J en calorías.13- Transforme 40 cal en Joules.14- Suministrando una energía de 10 J a un bloque de una aleación de aluminio de 5 g; su temperatura varía de 20 °C a 22 °C. Determine el calor específico de este material.