EL CALORY LA TEMPERATURA

Prof.- Juan Sanmartín

4º Curso de E.S.O.

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INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍATRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modoq q p p y ,en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante elcalor y el trabajo.

Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentrenen desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura amenor Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmicomenor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico.

Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre loscuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo deintercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora.

El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, elcalor y el trabajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj= 1000 j). En el caso del calor también se utiliza calorías (1 caloría= 4,18 J)

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j) ( , )

EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICAEFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICASi ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee másenergía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas.Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado elequilibrio térmico.

d d T > T T T

T1 T2 T T

donde T1 > T2 T = TEl aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y portanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, producecambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc…

La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar oLa dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar odisminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces lasdistancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitanmás se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una

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p p ( ) y gdisminución (contracción).

CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICOCALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO

Calor y temperatura son conceptos diferente.El calor es energía en movimiento es decir energía térmica transferida de un sistema que estáEl calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que estáa mayor temperatura, a otro que está a menor.

La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene unLa temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene uncuerpo o un sistema.

L lé l f t d l tá i i i t L t tLas moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La temperatura nosinforma del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de laenergía de todas sus partículas.

La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero laescala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el gradocentígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC es la temperatura decentígrado ( C) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100 C, es la temperatura deebullición del agua.

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DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA LOS TERMOMETROSDISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS

El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas endesequilibrio térmico El de mayor temperatura cede energía al otro Por tanto el calor esdesequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor esenergía en transito y se mide en julios.La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se

id k l i d tí dmide en kelvin, o en grados centígrados.El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas.

Escalas termométricas:Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión yeb llición Del ag a a na atmósfera de presión se les asigna alores de 0 a 100ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100.Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. Laescala se divide en 180 partes iguales.Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de latemperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Estepunto se corresponde aproximadamente con – 273 ºC. La unidad de temperatura en elS.I. es el Kelvin (K)

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ESCALAS TERMOMÉTRICASESCALAS TERMOMÉTRICAS

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Temperaturas (Unidades)e pe a u as (U dades)ºC ºF K

373 K100ºC 212ºFEn el gráfico vemos las tres escalas detemperatura.

dade

s

dade

s

dade

s

373 K100 C 212 F pLa ESCALA CENTÍGRADA toma comoreferencia las temperaturas de fusión yevaporación del agua en Condicionesnormales les asigna 0ºC a la de f sión

100

uni

100

uni

180

uni

0ºC 32ºF 273 K

normales y les asigna 0ºC a la de fusióny 100ºC a la de evaporación. Entre ellasexistirán 100 unidades.La ESCALA FARENHEIT asigna a los0ºC 32ºF 273 K ganteriores valores 32ºF y 212ºFrespectivamente y por lo tantotendremos 180 unidades entre ambastemperaturastemperaturas.La ESCALA ABSOLUTA O KELVIN estabasada en los problemas de valoresnegativos en las ecuaciones de gases y

273ºC 459 4ºF 0 K

g g ypor lo tanto se busco el 0 absolutomanteniendo la escala de laCENTIGRADA que coincide con los -273ºC de esta-273 C -459,4 F 0 K 273ºC de esta.

TransformacionesTransformaciones

KC ↔º De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G.KC ↔Centígrados 273 unidades.

OJO! GRADOS CENTÍGRADOS GRADOS FARENHEIT273º += CK

¡OJO! GRADOS CENTÍGRADOS, GRADOS FARENHEITY KELVIN, NO GRADOS KELVIN.Ejemplo

KCKKC

276273º23º23

=+=→

137ºC273410KºCºC410K

=−=→

KCKKC

139273º134º134

−=+−=→−

73ºC273200KºCºC200K

−=−=→

TransformacionesTransformaciones

FC ºº ↔La transformación se complica al tener diferente escala. Tenemosque aplicar las siguientes formulas:FC ↔ q p g

( )180

32º100º −⋅=

FC32100180ºCºF +⋅

=180

EjemploºF25ºC→

100

77ºF321001802532

100180ºCºF =+

⋅=+

⋅=

( ) 29,2ºF321001803432

100180ºCºF

ºF34ºC

−=+⋅−

=+⋅

=

→−

( ) ( ) 12 2ºC325410032ºF100ºC

ºC54ºF100100

−−⋅→

( ) ( ) 12,2ºC180180

ºC ===

TransformacionesTransformaciones

KF ↔º En este caso tenemos que pasar por GradosCentígrados para la tranformaciónKF ↔ Centígrados para la tranformación.

( )180

32º100º −⋅=

FC32100180ºCºF +⋅

= 273º += CK 180Ejemplo

ºFk300 →

100

ºF3210018032

100180ºCºFCkC

ºFk

6,8027º27273300º

300

=+⋅

=+⋅

=→=−=

→

( ) ( ) KCKºC3210032ºF100ºC

KF100100

6248273º42442412º12

=+−=→−=−−

=−⋅

=

→−

180180ºCCK

KCKC180180

C

25º298

6,2482734,244,24

→

=+=→===

ºF3210018032

100180ºCºFCkC 7725º25273298º =+

⋅=+

⋅=→=−=

CALOR ESPECÍFICOCALOR ESPECÍFICONo todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, las mismascantidades de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del tipo de partículaque la compone y de cómo se encuentran unidas. Así, para elevar 1 kelvin la temperaturade un kilogramo de hierro se necesitan 458 Julios, mientras que 1 kilogramo de alcoholrequiere de 2450 Julios (estas cantidades se desprenden cuando la temperaturadi i 1 k l i ) E b t i d d t í ti d d t i d fi idisminuye 1 kelvin). En base a esta propiedad característica de cada sustancia, definimosel calor específico Ce.

Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía (Q) que hayque proporcionar a 1 kg. de esta para elevar su temperatura 1 kelvin. Esto se expresa dela siguiente manera

QCC

Si d l i ió d t t l t t fi l ( d ilib i ) d l t i

TmQCC eespecifico ∆⋅

==sustancia

Siendo la variación de temperatura, la temperatura final (o de equilibrio) de la sustanciamenos la inicial

inicialfinal TTT −=∆

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inicialfinal

CALORES ESPECÍFICOSCALORES ESPECÍFICOS

Sustancia Calor específico TABLA DE CALORES ESPECÍFICOSp

Agua (líquida) 4180

Hielo (Agua sólida) 2090

TABLA DE CALORES ESPECÍFICOSDE DIFERENTES SUSTANCIAS. Lasunidades son:

Vapor de agua 2090

Alcohol 2450

Al i i 899KelvinKilogramo

Julios⋅

Aluminio 899

Hierro 452

Cobre 385

g

JCobre 385

Mercurio 138

Plata 234KKg

J⋅

Plomo 130

Oro 130

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CALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICACALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICA

Por lo tanto, la energía (Q) necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo calorespecífico es Ce , del una temperatura inicial (Tinicial o T0) hasta una temperatura final o deequilibrio (Tf ), viene dada por la siguiente expresión.

( )inicialfinalesustancia TTCmQsustancia

−⋅⋅=

De lo que podemos deducir que:Si Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor

temperatura y esta se elevatemperatura y esta se eleva.

Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperaturat dy esta se reduce.

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Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calores cedido por la sustancia que estáa mayor temperatura y esta sereduce. Es, por ejemplo, el caso del li t llos alimentos en la nevera quedisminuyen su temperatura al recibirel calor de este.

QSi Tf > T0 entonces Q > 0, el Qcalor es absorbido por lasustancia que está a menortemperatura y esta se eleva.E j l l d lEs, por ejemplo, el caso de losalimentos en un horno queaumentan su temperatura alrecibir el calor de este

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recibir el calor de este.

PROBLEMAS DE CALORIntercambio de calor

En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, nob d l l Y l l íexiste intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía

queda íntegramente en el sistema

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Problema 01.- Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 50 litros de agua cuyastemperaturas son 80 y 200C

KCT

kgmlV OHcalienteOH =≈=

353º80

.10.10)( 22

KCT

kgmlV OHfriaOH =≈=

293º20

.50.50)( 22

KKgJC

KCT

e ⋅=

==

4180

353.º800

KKgJC

KCT

e ⋅=

==

4180

293.º200

KKg KKg

Buscamos la temperatura final o de equilibrio

La energía (Q) que cede el agua caliente, laabsorbe el agua fría y por lo tanto la suma de0QQ )()( 22

=+ friaOHcalienteOHabsorbe el agua fría y por lo tanto la suma deambas es cero. Tengamos en cuenta queconsideramos un sistema adiabático dondeno hay perdidas de calor al exterior.

( ) ( ) 0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2=−⋅⋅+−⋅⋅

OO friaOcalienteO

no hay perdidas de calor al exterior.

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Sustituimos los datos…

( ) ( ) 0293418050353418010 =−⋅⋅⋅+−⋅⋅⋅ ff TKKgJkgTKKg

Jkg

06123700020900014755404180 =−+− ff TT

Operamos…

ff

Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado

TT ff 61237000147554002090004180 +=+

CKTf º2,212,2942090004180612370001475540

==++

=

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Problema 02.- En un calorímetro que contiene 400 g de agua se introduce un trozo de metal de 50ga 800C. La temperatura inicial del agua es de 10 ºC y la de equilibrio de la mezcla, 12 ºC. Calcular elcalor es-pecifico del metal. Se supone que el calorímetro no absorbe calor.

02020 == kggm kggm OH == .4,0.4002

353.º80

.02,020

0

metal

==

==

KCT

kggm

JC

KCT ==

4180

283.º100

2

?=metaleC KKg

JC OHe ⋅= 4180)( 2

KCTT filib i 285º12 ===

Buscamos el calor específico del metal

KCTT fequilibrio 285.12 ===

0QQ2Hmetal =+ O

( ) ( ) 0TTCmTTCm inicialfinaleHinicialfinalemetal 2H2metal=−⋅⋅+−⋅⋅

OO

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Sustituimos los datos…

( ) ( ) 028328541804,035328505,0 =−⋅⋅+−⋅⋅metaleC

02,16768 =+⋅−metaleC

Operamos…

metal

Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado

Cmetale⋅= 682,167

KKgJC

metale ⋅== 45,268

2,167

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Problema 03.- Una bañera contiene 50 litros de agua a 25 ºC. ¿Cuánto tiempo será preciso abrir el grifo de agua caliente para que la temperatura final del agua sea 40 ºC?. Temperatura del agua caliente: 80 ºC.; Caudal del grifo: 5 l/min.

m OH = .?2

kgmlV OHfriaOH =≈= .50.50)( 22

JC

KCT ==

4180

353.º800

2

JC

KCT ==

4180

298.º250

)( 22

KKgJCe ⋅= 4180 KKg

JCe ⋅= 4180

KCTT 313º40

Buscamos la temperatura final o de equilibrio

KCTT fequilibrio 313.º40 ===

0QQ )()( 22=+ friaOHcalienteOH

( ) ( ) 0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2=−⋅⋅+−⋅⋅

OO friaOcalienteO

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Sustituimos los datos…

( ) ( ) 02983134180503533134180)(2=−⋅⋅⋅+−⋅⋅⋅ KKg

JkgKKgJm calienteOH

031350001672002

=+⋅ OHmOperamos…

Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado

.75,1875,181672003135000

2lKgm OH ≈==

min5)()()( lq

tiempotvolumenVcaudalq =⇒=

.45.min3min75,35

.75,18

)(

sl

lqVt

tVq

tiempot

====⇒=

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.min5 lqt

CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIACAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIACuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.

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CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIACAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA

Mientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes cantidades de energía a lasustancia sin que varíe la temperatura.Esto lo explica la Teoría Cinético Molecular T.C.M., la temperatura aumenta porque aumenta laenergía cinética media de las partículas que forman una sustancia.. En el caso de un sólido latemperatura aumentará con el aumento de esta energía cinética, pero al llegar al punto de fusión,los enlaces entre las partículas han de romperse las partículas necesitan suficiente energía paralos enlaces entre las partículas han de romperse, las partículas necesitan suficiente energía paravencer las fuerzas atractivas que mantenían unido a la sustancia en su estado sólido, sin quesuponga un aumento de la agitación térmica y por lo tanto la Temperatura permanece constante.En el caso del punto de ebullición, las partículas que en estado líquido aún conservan enlaces quel ti id d b t l i l t d ilas mantienen unidas, deben romper estos enlaces para conseguir el estado gaseoso sin queaumente la energía cinética media y por lo tanto su temperatura.

Definimos calor latente de fusión L a la energía necesaria para cambiar 1 kg de una sustanciaDefinimos calor latente de fusión Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustanciade estado sólido a estado líquido o viceversa (en este caso este calor seránegativo).Permaneciendo la temperatura constante.

Definimos calor latente de vaporización Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de unasustancia de estado líquido a estado gaseoso o viceversa (en este caso este calor seránegativo).Permaneciendo la temperatura constante.

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CALORES LATENTES (kJ/kg.)CALORES LATENTES (kJ/kg.)

Estos calores latentes están expresadosen kilojulios por kilogramo.

Sustancia Lf Lv

A 334 4 2257 La energía térmica o calor (Q) en estecaso no depende de la temperatura, y porlo tanto viene dada por la siguienteexpresión:

Agua 334,4 2257

Etanol 109 840

Mercurio 11,3 296 expresión:Mercurio 11,3 296

Plomo 24,7 858

Zinc 102 1768 f/vLmQ ⋅=

En el caso de que el cambio de estado sea de sólido a liquido (fusión) o viceversa (solidificación)obtendremos la siguientes expresiones

LmQ

fónsolificaci

ffusión

LmQ

LmQ

−⋅=

⋅=

En el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversaEn el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversa(condensación) obtendremos la siguientes expresiones

vónvaporizaci LmQ ⋅=

24vóncondensaci

p

LmQ −⋅=

PROBLEMAS DE CALORCambios de estado

En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, nob d l l Y l l íexiste intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía

queda íntegramente en el sistema

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Problema 04.- Si tengo 4l. de agua que acaban de hervir. ¿Qué cantidad de calor le tengo queextraer para convertirla en hielo a –18ºC?

Debemos considerar todas las etapas que suceden en el proceso, ya que cada unatiene una energía térmica diferente.

( )

C)18º(OHC)(0ºOH

C)(0ºOHC)(100ºOHC100ºOH

ólid2Q

ólid2Q

Qlíquido2

Qlíquido2

Qvapor2

43

321

−→→

→→→

C)18(OHC)(0OH sólido2sólido2 →→

La temperatura siempre en Kelvin, entonces…p p ,

( ) (273K)OH(373K)OH373KOH Qlíquido2

Qlíquido2

Qvapor2

321 →→→

55K)2(OH(273K)OH sólido2Q

sólido2Q 43 →→

Una vez que tenemos definidas las etapas, procedemos a calcular el calor (Q) encada una de ellas, las suma de todas nos dará la energía del proceso.

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Calculamos los calores de cada etapa utilizando los calores específicos y latentes

( ) JkgJLm vOH 902800022570004Q óncondensaci1 2

−=−⋅=−⋅=

de las tablas. En el caso de los calores latentes hemos de cambiarlos signos.

( )

( ) ( ) ( ) JKKkgJkgTTCmQ

kg

faguaeOH

vOH

líquida16720003732734180402

óncondensaci1

2

2

−=−⋅⋅⋅=−⋅⋅=

( )

( ) ( ) ( ) JKKkJkgTTCmQ

JkgJkgLmQ

fhi lOH

fOHciónsolidifica

15048027325520904

13376003344004

04

3 2

−=−⋅⋅=−⋅⋅=

−=−⋅=−⋅=

( ) ( ) ( ) JKKkgkgTTCmQ fhieloeOH 1504802732552090404 2 ⋅

Sumamos los calores para obtener la energía final

QQQQQ 4321TOTAL +++=

12188080J150480J1337600J1672000J9028000JQTOTAL −=−−−−=

EL SIGNO NEGATIVO SIGNIFICA QUE TENEMOS QUE EXTRAER CALOR

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PROPAGACION DEL CALORPROPAGACION DEL CALOR

El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación.La conducción del calor se produce preferentemente cuando la energía se transmite a través de cuerposa co ducc ó de ca o se p oduce p e e e e e e cua do a e e g a se a s e a a és de cue possólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmitenesas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo.Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantesdel calor Por ejemplo los metales son muy buenos conductores del calor sin embargo la madera el plásticodel calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin embargo la madera, el plásticoo el aire no son buenos conductores, son aislantes.

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PROPAGACION DEL CALORPROPAGACION DEL CALOR

La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven concierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado

l tí l d l f í A í d i t d d lí id i dpor las partículas de las zonas mas frías. Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que asciendeny otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, comocalienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina ellíquido de un recipiente, etc…La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuantomas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, lasmicroondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor queirradian las estrellasirradian las estrellas.

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