Cantidad de calor

Si metemos una cuchara fría en una taza de café caliente, la cuchara se calienta y el café se enfría para acercarse al equilibrio térmico.La interacción que causa estos cambios de temperatura es básicamente una transferencia de energía de una sustancia a otra.La transferencia de energía que se da exclusivamente por una diferencia de temperatura se llama flujo de calor o transferencia de calor, y la energía asi transferida se llama calor.

Usamos el símbolo Q para cantidad de calor. Lo calcularemos mediante la ecuación:

( calor requerido para cambiar la temperatura de la masa m)donde c es una cantidad, diferente para cada material, llamada calor específico (o capacidad calorífica) del material.Sus unidades son J/Kg*K

Ejemplo 1Presa de la gripe, un hombre de 80 kg tuvo 2.0 C° de fiebre, es decir, tuvo una temperatura corporal de 39.0°C en lugar de la normal de 37.0°C. Suponiendo que el cuerpo humano es en su mayor parte agua, ¿cuánto calor se requirió para elevar su temperatura esa cantidad?

Ejemplo 2Un ingeniero trabaja en un diseño de motor nuevo. Una de las piezas móviles contiene 1.60 kg de aluminio y 0.30 kg de hierro, y esta diseñada para operar a 210°C. ¿Cuánto calor se requiere para elevar su temperatura de 20°C a 210°C?

Ejercicio 1Una tetera de aluminio de 1.50 kg que contiene 1.80 kg de agua se pone en la estufa. Si no se pierde calor al entorno, ¿cuánto calor debe agregarse para elevar la temperatura de 20.0°C a 85.0°C?

Ejercicio 2Tratando de mantenerse despierto para estudiar toda la noche,un estudiante prepara una taza de café colocando una resistenciaeléctrica de inmersión de 200 W en 0.320 kg de agua. a) ¿Cuántocalor debe agregarse al agua para elevar su temperatura de 20.0°C a80.0°C? b) ¿Cuánto tiempo se requiere? Suponga que toda la potenciase invierte en calentar el agua.

EjercicioImagine que le dan una muestra de metal y le piden determinar su calor especifico. Pesa la muestra y obtiene un valor de 28.4 N. Añade con mucho cuidado 1.25X J de energía calorífica a la muestra y observa que su temperatura aumenta 18.0 C°. ¿Qué calor especifico tiene la muestra?

Calorimetría y cambios de faseCalorimetría significa “medición de calor”. El calor también interviene en los cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua.Cambios de faseUsamos el término fase para describir un estado específico de la materia, como: sólido, líquido o gas.Una transición de una fase a otra es un cambio de fase.

Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si agregamos calor a hielo a 0°C y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta. En vez de ello, parte de el se funde para formar agua liquida. Si agregamos el calor lentamente, manteniendo el sistema muy cerca del equilibrio térmico, la temperatura seguirá en 0°C hasta que todo el hielo se haya fundido (Fig. 17.16). El efecto de agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura sino cambiar su fase de solida a liquida.

Para convertir 1 kg de hielo a 0°C en 1 kg de agua liquida a 0°C y presión atmosférica normal, necesitamos 3.34xJ de calor. El calor requerido por unidad de masa se llama calor de fusión (o calor latente de fusión), denotado con .Para el agua a presión atmosférica normal el calor de fusión es

J/KgEn términos más generales, para fundir una masa m de material con calor de fusión se requiere una cantidad de calor dada por

Este proceso es reversible. Para congelar agua liquida a 0°C tenemos que quitar calor; la magnitud es la misma, pero ahora Q es negativo porque se quita calor en lugar de agregarse. A fin de cubrir ambas posibilidades e incluir otros tipos de cambios de fase, escribimos

( transferencia de calor en un cambio de fase )

Usamos el signo más (entra calor) cuando el material se funde, y el signo menos (sale calor) cuando se congela. El calor de fusión es diferente para diferentes materiales, y también varía un poco con la presión.

Una cosa análoga sucede con la ebullición o evaporación, una transición de fase entre líquido y gas. El calor correspondiente (por unidad de masa) se llama calor de vaporización . A presión atmosférica normal el calor de vaporización del agua es

J/KgAl igual que la fusión, la ebullición es una transición reversible. Si quitamos calor a un gas a la temperatura de ebullición, el gas vuelve a la fase líquida (se condensa), cediendo a su entorno la misma cantidad de calor (calor de vaporización) que se necesitó para vaporizarlo.

La tabla 17.4 presenta calores de fusión y vaporización para varios materiales y sus temperaturas de fusión y ebullición a presión atmosférica normal.

Ejemplo 1 (calorimetría sin cambio de fase)Una geóloga en el campo bebe su café matutino de una taza de aluminio. La taza tiene una masa de 0.120 kg e inicialmente esta a 20.0°C cuando se vierte en ella 0.300 kg de café que inicialmente estaba a 70.0°C.¿En qué temperatura final alcanzan la taza y el café equilibrio térmico? (Suponga que el calor especifico del café es el mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el entorno.)

Ejercicio 1Una olla de cobre de 0.500 kg contiene 0.170 kg de agua a 20.0°C. Un bloque de hierro de 0.250 kg a 85.0°C se mete en la olla. Calcule la temperatura final, suponiendo que no se pierde calor al entorno. ( J/Kg*K, 390J/Kg*K y J/Kg*K )

Ejercicio 2Una combinación de 0.250 kg de agua a 20.0°C, 0.400 kg de aluminio a 26.0°C y 0.100 kg de cobre a 100°C se mezcla en un contenedor aislado y se les permite llegar a equilibrio térmico. Ignore cualquier transferencia de energía hacia o desde el contenedor y determine la temperatura final de la mezcla.( J/Kg*K , J/Kg*K y J/Kg*K )

EjercicioUn lingote de 0.050 0 kg de metal se calienta a 200.0°C y después se deja caer en un calorímetro que contiene 0.400 kg de agua inicialmente a 20.0°C. La temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es 22.4°C. Encuentre el calor especifico del metal.

Ejemplo (calorimetría con cambio de fase)Una estudiante de física desea enfriar 0.25 kg de Diet Omni-Cola (casi pura agua), que esta a 25°C, agregándole hielo que esta a –20°C. ¿Cuánto hielo debe agregar para que la temperatura final sea 0°C con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente? ( J/Kg*K )

Ejemplo¿Que masa de vapor, inicialmente a 130°C, se necesita para calentar 200 g de agua en un contenedor de vidrio de 100 g, de 20.0°C a 50.0°C? ( J/Kg*K , J/Kg*K y J/Kg*K )Nota: El agua, el vidrio y el vapor tienen la misma temperatura final, además suponga que el agua y el vidrio tienen la misma temperatura inicial.

Ejercicioa) ¿Cuanto calor se requiere para convertir 12.0 g de hielo a –10.0°C en vapor a 100.0°C? b) ¿Cuanto calor se requiere para convertir 12.0 g de hielo a –10.0°C en vapor a 120.0°C? ( J/Kg*K, J/Kg*K, J/Kg*K )

EjercicioUn mecánico sediento enfría una botella de 2.00 L de refresco (agua en su mayor parte) vertiéndola en un tarro de aluminio grande de 0.257 kg y agregándole 0.120 kg de hielo a –15.0°C. Si el refresco y el tarro estaban a 20.0°C, ¿Que temperatura final alcanza el sistema si no se pierde calor?

Ejemplo 3Una olla gruesa de cobre de 2.0 kg (incluida su tapa) esta a una temperatura de 150°C. Ud. vierte en ella 0.10 kg de agua a 25°C y rápidamente tapa la olla para que no pueda escapar el vapor. Calcule la temperatura final del vapor y de su contenido, y determine la fase (liquido o gas) del agua. Suponga que no se pierde calor al entorno.