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CALOR
Conceptos Generales
• CALOR: ¿QUÉ ES EL CALOR?
• La palabra calor es un término muy común en
nuestro lenguaje cotidiano. A diario escuchamos
frases como:“hace mucho calor”, “está caliente”,
etc. Pero ¿qué es el calor?
• Es una forma de energía, que generalmente se
asocia con la energía transferida entre distintos
sistemas; en el lenguaje cotidiano, cuando
ponemos un cuerpo frente a una fuente de calor
(una cocina, estufa, etc.) decimos que le aplicamos
calor al cuerpo.
• Se llama calor a la energía que pasa de un cuerpo a otro,
modificándose la Energía Interna de ambos. Para que haya
transferencia de calor son precisos dos cuerpos a diferente
temperatura o que uno ejerza un trabajo de rozamiento sobre
el otro.
• El calor es la energía que tiene un objeto debida al
movimiento de sus átomos y moléculas que están
constantemente vibrando, moviéndose y chocando unas con
otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y
moléculas se mueven más deprisa, incrementando su energía
de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen
algo de calor porque sus átomos se están moviendo.
• La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son
grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las
moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor
de si mismas, vibrando o chocándose unas con otras.
•
El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de
energía llamada calor o energía térmica, que está presente en
todo tipo de materia. Incluso en los vacios más frío de espacio
hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible.
• Pero de dónde proviene esta energía?
en realidad, el calor es una forma de movimiento que lleva
energía asociada. Y las partículas en movimiento de las que
estamos hablando son los átomos y moléculas que componen
todos los objetos que nos rodean, por ejemplo, animales, aire,
plantas, estrellas y hasta nosotros mismos.
• Un ejemplo claro es el agua. A bajas temperaturas, el
movimiento de las moléculas del agua, es decir su agitación
térmica, es muy bajo, apenas vibran y se mantienen
inmovilizadas en un sólido: el hielo.
• Al aumentar la temperatura, la agitación térmica comienza
a aumentar y las moléculas van adquiriendo más energía y
comienzan a alejarse un poco entre sí aumentando su
movimiento, lo que obtenemos es un líquido: el agua
líquida.
• La energía puede presentarse de muy diferentes formas y
pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden
convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la
electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear,
el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia
haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas.
•
Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si
quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos fríos
podríamos ponernos a saltar para entrar en calor.
• Estos son algunos algunos ejemplos de los diferentes tipos de
energía que pueden convertirse en energía térmica (calor).
La energía mecánica se convierte en energía térmica siempre
que botamos una pelota. Cada vez que la pelota rebota en el
suelo parte de la energía de su movimiento (energía cinética)
se convierte en calor, haciendo que la pelota cada vez rebote
menos. A continuación un ejemplo:
Imagen térmica infrarroja de una pelota de tenis antes (izquierda) y después
(derecha) de ser golpeada por la raqueta.
• QUE ES CALORÍA?
• Es la cantidad necesaria de CALOR para subir la temperatura
de 1 gramo de agua en 1ºC (de 14,5º a 15,5ºC, a presión
atmosférica). La kilocaloría (símbolo Kcal) es igual a 1000 cal.
Una caloría es equivalente a 4,1868 J.
• Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se
halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del
estudio de la energía mecánica.
El calor específico de una sustancia o sistema
termodinámico es una magnitud física que se
define como la cantidad de calor que hay
que suministrar a la unidad de masa del
sistema considerado para elevar su
temperatura en una unidad (kelvin o grado
Celsius) a partir de una temperatura dada; en
general, el valor del calor específico depende
de dicha temperatura inicial. Se la representa
con la letra (minúscula).
• En forma análoga, se define la capacidad
calorífica de una sustancia o sistema
termodinámico como la cantidad de calor
que hay que suministrarle para elevar su
temperatura en una unidad kelvin o grado
Celsius) a partir de una temperatura dada. Se
la representa con la letra (mayúscula).
• Obviamente, el calor específico es la
capacidad calorífica específica, esto es c = C
/m
¿Cómo se propaga el calor?
Conducción
• Entregamos o quitamos CALOR poniendo en
contacto dos o más elementos.
¿Algunos ejemplos?
Convección
Radiación
¿Que es la Termodinámica?
• La termodinámica es una parte de la física que estudia las relaciones
existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos.
• Trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del calor en
trabajo. También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas
macroscópicos de materia y energía.
• La termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto
significa que las propiedades del sistema —típicamente la presión, la
temperatura, el volumen y la masa— son constantes.
• Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que
se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y
que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema
macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles
como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables
termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras
variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el
coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más
completa
de un sistema y de su relación con el entorno.
• Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se
dice que tiene lugar un proceso termodinámico.
Calorimetría. Capacidad calorífica y
calor específico
• En un sentido amplio, la calorimetría se
desarrolló históricamente como una técnica
destinada a fabricar aparatos y procedimientos
que permitieran medir la cantidad de calor
desprendida o absorbida en una reacción
mecánica, eléctrica, química o de otra índole.
Esta disciplina, encuadrada dentro de la
termodinámica, se ha especializado sobre todo,
con el paso del tiempo, en la determinación del
calor específico de los cuerpos y los sistemas
físicos.
CAPACIDAD CALORÍFICA
La capacidad calorífica de un cuerpo es
razón de la cantidad de energía calorífica
transferida a un cuerpo en un proceso
cualquiera por su cambio de temperatura
correspondiente, es decir, es la energía
necesaria para aumentar 1 K su temperatura,
(usando el S.I.). Indica la mayor o menor
dificultad que presenta dicho cuerpo para
experimentar cambios de temperatura bajo el
suministro de calor.
• Para medirla bajo unas determinadas condiciones
es necesario comparar el calor absorbido por una
sustancia (o un sistema) con el incremento de
temperatura resultante. La capacidad calorífica
viene dada por:
Q
C  lim
T  0 T
Donde:
• C es la capacidad calorífica, que en general será función de
las variables de estado.
• Q es el calor absorbido por el sistema
• T es la variación de la temperatura.
Se mide en unidades del S.I.
joules/K (o también el cal/°C)
Ejemplo
• Rumford, taladrando tubos de metal para
construir cañones, se dio cuenta de que
cuanto más roma estaba la broca más calor se
desprendía.
• La capacidad calorífica es un valor
característico de los cuerpos, y está
relacionado con otra magnitud fundamental
de la calorimetría, el calor específico.
• Si el calor estuviera retenido en l cuerpo
impregnándolo saldría más cuanto más se
desmenuzara la materia en virutas… pero no
era así, era justo al revés. (Benjamín Thomson
– Conde Rumford).
• ¡El calor se generaba al rozar la broca con el
metal! ¡La energía cinética de la broca se
transformaba en calor!
Calor Especifico
• El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como
calor específico. En términos matemáticos, esta relación se expresa como:
• donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad
calorífica, Q el calor aportado y DT el incremento de temperatura. El calor
específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema
Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título
de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:
• Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el
valor del equivalente mecánico del calor, ya que:
Calorimetrìa
• La determinación del calor específico de los
cuerpos constituye uno de los fines primordiales
de la calorimetría.
• El procedimiento más habitual para medir calores
específicos consiste en sumergir una cantidad del
cuerpo sometido a medición en un baño de agua
de temperatura conocida. Suponiendo que el
sistema está aislado, cuando se alcance el
equilibrio térmico se cumplirá que el calor cedido
por el cuerpo será igual al absorbido por el agua,
o a la inversa.
• Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a
la absorbida, se cumple que:
• siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su
calor específico, T la temperatura inicial del
cuerpo, ma la masa de agua, ca el calor específico
del agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la
temperatura final de equilibrio. Todos los valores
de la anterior expresión son conocidos, excepto el
calor específico del cuerpo, que puede por tanto
deducirse y calcularse de la misma.
Calor específico de los gases
• En el caso de los gases, ha de distinguirse
entre calor específico a volumen constante (cv)
y a presión constante (cp). Por el primer
principio de la termodinámica, y dado que el
calentamiento de un gas a volumen constante
no produce trabajo, se tiene que:
• En el caso particular de gases diluidos, la
vinculación entre el calor específico a presión
y a volumen constante sigue la llamada
relación de J. R. Mayer (1814-1878):
• siendo Nm el número de moles por unidad de
masa y R la constante universal de los gases
perfectos.
Tabla de calores específicos
Poder calorífico
• Se llama poder calorífico al calor que se libera
en el proceso de combustión de un cuerpo,
llamado combustible. El poder calorífico se
mide como la cantidad de calorías o
kilocalorías que se desprenden en la
combustión de 1 kg de masa del material
combustible.
Tabla de poderes caloríficos
• Como la energía calorífica cedida ha de ser
igual a la absorbida, se cumple que:
• siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su
calor específico, T la temperatura inicial del
cuerpo, ma la masa de agua, ca el calor
específico del agua, Ta la temperatura inicial
del agua y Tf la temperatura final de equilibrio.
Todos los valores de la anterior expresión son
conocidos, excepto el calor específico del
cuerpo, que puede por tanto deducirse y
calcularse de la misma
• El calor es por lo tanto una forma de energía.
Es la “energía calorífica”. Un inglés llamado
J.P. Joule halló su equivalencia con las
unidades de trabajo.
La energía puede
presentarse puede presentarse de muy
diferentes formas y puede cambiar de una
forma a otra.
APLICACIÓN EN PREVENCIÓN
En esta oportunidad ejemplificaremos la
utilidad de la capacidad calorífica en
trabajadores que laboran en frigoríficos, ya
que al estar expuestos a temperaturas bajo 0
°C deben usar trajes térmicos especialmente
diseñados con la finalidad de guardar y
mantener el calor, ya que de no tener estos
implementos ciertamente estos trabajadores
se verían expuestos a hipotermia.
Tema: Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de la
cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un
proceso cualquiera por su cambio de temperatura
correspondiente.
En una forma menos formal es la energía necesaria para
aumentar 1 K su temperatura, (usando el SI). Indica la mayor
o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para
experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de
calor.
Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es
una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende de la
cantidad de material en el objeto por ejemplo;
La capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será
mayor que la de una cucharadita.
Al ser una propiedad extensiva, la capacidad calorífica es
característica de un objeto en particular, y además depende
de la temperatura y posiblemente de la presión.
La capacidad calorífica no debe ser confundida con la
capacidad calorífica específica o calor específico; el cual es la
propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un
cuerpo para almacenar calor, y es la razón de la capacidad
calorífica entre la masa del objeto. El calor específico es una
propiedad característica de las sustancias y depende de las
mismas variables que la capacidad calorífica.
Medida de la Capacidad Calorífica
Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas
condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una
sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura
resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
Donde:
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.
Q es el calor absorbido por el sistema.
ΔT la variación de temperatura.
Se mide en unidades del SI joules/K (o también el cal/ºC).
La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de
la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un
sistema formado por una sola sustancia homogénea se define
además el calor específico o capacidad calorífica específica c
a partir de la relación:
Donde:
c es el calor específico o capacidad calorífica específica.
m la masa de sustancia considerada.
Planteamiento formal de capacidad calorífica
Sea Σ un sistema termodinámico en el estado B. Se define
la capacidad calorífica Cc asociada a un proceso cuasi estático
elemental c que parte de B y finaliza en el estado B' como el
límite del cociente entre el calor Q absorbido por Σ y el
incremento de temperatura ΔT cuando el estado B' tiente al
inicial B.
La capacidad calorífica es, de este modo, una variable
termodinámica y está perfectamente definida en cada estado
de equilibrio de Σ.
Cambio de estado de un sistema debido a Calor y Trabajo
• Los cambios de estado en un sistema son producidos por interacciones con el
entorno o medio a través del calor y del trabajo, que son dos distintos modos
de la transferencia de energía.
Calor
El calor es una forma de transferencia de energía debido a la diferencia de
temperatura. El calor, al igual que el trabajo, se considera en
termodinámica como energía en tránsito para separa a un sistema de su
entorno.
1. La transferencia de calor puede alterar el estado del sistema;
2. Los cuerpos ``no contienen'' calor; el calor es energía en transito y se
identifica mientras ésta pasa a través de los límites del sistema;
3. La cantidad de calor necesaria para ir de un estado a otro es dependiente
de la trayectoria;
4. Los procesos adibáticos son aquellos en los que no se transfiere calor.
Leyes de la Termodinámica
•
Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX
a través de meticulosos experimentos, que determinan
la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.
•
Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental
para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería, y son:
Ley cero de la Termodinámica
•
•
Cuando dos sistemas están en
equilibrio mutuo, comparten una
determinada propiedad. Esta
propiedad puede medirse, y se le
puede asignar un valor numérico
definido. Una consecuencia de ese
hecho es el principio cero de la
termodinámica, que afirma que si
dos sistemas distintos están en
equilibrio termodinámico con un
tercero, también tienen que estar en
equilibrio entre sí.
Esta propiedad compartida en el
equilibrio es la temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en
contacto con un entorno infinito
situado a una determinada
temperatura, el sistema acabará
alcanzando el equilibrio
termodinámico con su entorno, es
decir, llegará a tener la misma
temperatura que éste.
Primera Ley de la Termodinámica
•
También conocida como principio de la conservación de la energía, establece que si
se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará. La
diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de energía es
denominada calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.
•
En otras palabras: La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma.
•
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
E entra − Esale = ΔE sistema
Segunda Ley de la Termodinámica
•
La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado térmicamente tiende
a incrementarse con el tiempo. Más sencillamente, cuando una parte de
un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a
dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico.
•
El segundo principio impone una condición adicional a los procesos
termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así
el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el
segundo principio se denomina, “móvil perpetuo de segunda especie”, ya
que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para
realizar trabajo en un entorno caliente
sin costo alguno. A veces, el segundo principio se formula como una
afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda
especie.
Tercera Ley de la Termodinámica
•
•
•
El tercer principio de la termodinámica
afirma que el cero absoluto no puede
alcanzarse por ningún procedimiento
que consta de un número finito de pasos.
Es posible acercarse indefinidamente al
cero absoluto, pero nunca se puede llegar
a él.
Es importante recordar que los principios
o leyes de la Termodinámica son sólo
generalizaciones estadísticas, válidas
siempre para los sistemas macroscópicos,
pero inaplicables a nivel cuántico.
Maxwell
ejemplifica
cómo
puede
concebirse un sistema cuántico que
rompa las leyes de la Termodinámica.
Asimismo, cabe destacar que el primer
principio, el de conservación de la energía,
es la más sólida y universal de las leyes de
la naturaleza descubiertas hasta ahora por
la ciencia.
Aplicaciones de la Termodinámica
• En la construcción de edificaciones, en especial de las
estructuras metálicas se tiene que tomar en cuenta sus
propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios
de temperatura del ambiente.
• En el estudio de los cambios de fase de las diferentes
sustancias.
• En la construcción de máquinas térmicas, por ejemplo:
motores que funcionan con combustible, refrigeradoras
Aplicación como medio de transporte para mejoras del
medio ambiente a través de globo de aire.
Todos sabemos que el aire caliente es más ligero que el aire frío y
que este último es más pesado. Para hacernos una idea, decimos
que un metro cúbico de aire pesa unos 28 gramos, si lo calentamos
con un quemador a 100 grados Fahrenheit este aire pesará 7
gramos menos. Por esa razón cada pie cúbico de aire puede llevar
7 gramos. Esta cantidad no es mucho y por esa razón los globos
tienen proporciones tan grandes ya que deben generar el volumen
en pies necesarios para levantar el peso de la tripulación y
pasajeros. Para levantar 1.000 libras necesitaremos 65.000 pies
cúbicos de aire caliente.
El globo se llena en primer lugar con aire frío y a continuación ese
mismo aire se aumenta de temperatura con la ayuda de un
quemador.
Un globo de aire caliente utiliza la propiedad de que el aire
caliente a la presión atmosférica es menos denso que el aire más
frío a la misma presión. La fuerza de empuje es la diferencia entre
el peso del aire caliente y el de un volumen igual al del aire más
frío que lo rodea. Si el volumen del globo es 500 m3 y el aire que
lo rodea esta a 0 ºC, ¿cuál ha de ser la temperatura del aire en el
globo para elevar una masa total de 200 Kg?. Maire = 28,8 g/mol.
(Rta: 396,25 ºK)