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a) Capacidad calorífica
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia.
La Capacidad Calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia
para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.
Está dada por la ecuación:
C = Q/T [J/K]
Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.
Se mide en joules por kelvin (unidades del SI).
La capacidad calorífica va variando según la sustancia.
Su relación con el calor específico es:
C = c(m)
En donde c es el calor específico, y m la masa de la sustancia considerada.
Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar:
Q/T = c * m
De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la
dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el
mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
El agua es una substancia con una gran capacidad calorífica, ello queda demostrado puesto que en el experimento se puede ver
como tiene gran capacidad de absorción de energía, es decir tarda mucho en calentarse y en enfriarse.
b) Calor específico
Calor específico: es la cantidad de calor necesario para que la unidad de masa aumente la unidad de temperatura
Tabla de calores específicos
Sustancia
C(cal/g°C)
Agua
1
Aluminio
0.22
Hierro
0.107
Oro
0.03
Plata
0.056
Bronce
0.09
Vidrio
0.20
Plomo
0.031
Aire
0.24
1
Cera
0.82
Cobre
0.093
Dióxido de azufre
0.137
Hidrógeno
3.42
Mercurio
0.033
oxígeno
0.218
Calor específico es el requerido o retirado para alcanzar una temperatura
Ejemplo:
Una barra de aluminio de 500g se calienta de 20°C a 50°C, ¿qué cantidad de calor absorbe el aluminio?
c) Calor latente
Calor latente: cantidad de calor que se requiere aplicar a una sustancia para cambiar de estado de la materia
sustancia
Tf (°C)
Tv (°C)
Lf (cal/g)
Lv (cal/g)
Agua
0
100
80
540
Aire
-212
-191
5.5
51
Aluminio
658
1800
77
2571.43
Cobre
1080
2870
32
1130
Hidrógeno
-259
-252
14
108
Hierro
1539
2450
69.76
1.5
2
Mercurio
-39
358
2.8
71
Oro
1063
2500
16
376.19
-183
3.3
51
Oxígeno
-218.8
Plata
960.8
2193
21
558
Platino
1764
3910
24.05
572.62
Plomo
327.3
1620
5.86
208
Cera
64
65.75
/
/
-76
-10.1
/
95
Dióxido de
azufre
El calor latente de fusión es la cantidad de calor necesaria para pasar del estado sólido al líquido y viceversa a
temperatura constante.
El calor latente de vaporización es la cantidad de calor necesario para pasar del estado líquido al gas y viceversa a
temperatura constante
El calor latente de sublimación es la cantidad de calor necesario para pasar del estado sólido al gas y viceversa a
temperatura constante
El calor latente solo se utiliza en cambios de estado
Calor latente de fusión
Q= m (Lf)
Calor latente de vaporización
Q= m (Lv)
Ejemplo:
¿Qué cantidad de calor se requiere para evaporar 5kg de agua?, ¿A qué temperatura se evapora?
¿Qué cantidad de calor se requiere para solidificar 60Kg de oro?, ¿A qué temperatura se solidifica?
d) Los gases y sus leyes
El volumen de los gases es muy variable ya que presentan la propiedad de la Compresibilidad ya que es la propiedad que
tiene la materia de reducir su volumen cuando se ejerce presión sobre ella mediante la aplicación de una fuerza.
Robert Boyle estudio la comprensibilidad del aire y descubrió la ley que rige la relación entre la presión y el volumen.
Cuando la temperatura se mantiene constante, para una masa dada de gas, el volumen del gas varía de manera
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inversamente proporcional a la presión absoluta que recibe.
PV = constante o P1 V1 = P2 V2
En las leyes de los gases, la de Boyle, la de Charles y la Gay-Lussac, la masa del gas es fija y una de las tres variables, la
temperatura, presión o el volumen, también es constante. Utilizando una nueva ecuación, no solo podemos variar la masa, sino
también la temperatura, la presión y el volumen.
La ecuación es: PV = nRT. De esta ecuación se despejan las siguientes incógnitas.
Volumen Es la cantidad de espacio que tiene un recipiente. Medidos en Litros o en algunos de sus derivados.
Temperatura Es la medida de calor que presenta un elemento. Es medida en °K
Presión Fuerza que ejerce el contenido de un recipiente, al recipiente.
Propiedades de los gases
Los gases tienen 3 propiedades características:
 Son fáciles de comprimir (compresibilidad)
 Se expanden hasta llenar el contenedor (expandibilidad), y
 Ocupan más espacio que los sólidos o líquidos que los conforman.
Ejemplo:
Calcular el volumen de 5.5 g de óxido nitroso N2O en condiciones normales
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e) Cambios de estado; interpretación de gráfica de presión- temperatura.
3.
Energía calorífica y sus transformaciones
a) Termodinámica
La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como
calor y como trabajo.
Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una
transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al
trabajo.
El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una
transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.
Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de
objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su
"ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas
abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por
sus fronteras.
La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de
energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.
La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación,
rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad,
imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía
interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de
cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el
objeto a menor temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
Esta ley se expresa como:
Eint = Q - W
Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)
Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado
por el sistema.
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Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante
un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor
agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.
La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la
energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza.
Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés,
se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.
Segunda Ley de la Termodinámica
En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se
formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto
que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de
un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.
Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio):
"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en
equilibrio térmico entre sí".
Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y
que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.
Tercera Ley de la Termodinámica.
"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"
Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El
cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la
cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC.
Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.
"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".
"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este
límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".
Procesos isotérmico(a temperatura constante), isocórico (a volumen constante) e isobárico (a presión
constante)
Equivalente mecánico del calor
4.2 J = 1 cal
1 J = N (m) = Kg (m2/s2)
Conversiones
X cal (4.2) = joule
X Joule/ 4.2 = calorías
Ejercicios:
a) Convertir 870 J a cal
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b) Convertir 18700 cal a J
c) Convertir 10J a cal
d) Convertir 4700 cal a J
ET= Ep + Ec + Eq
Donde ET es energía total, Ep es energía potencial, Ec es energía cinética y Eq es energía calorífica.
b) Equilibrio térmico.
Se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de
menor y se igualan.
Equilibrio térmico
Calor ganado = - calor perdido
Q ganado
= - Q perdido
(m c T) ganado = (m c T) perdido
c)
Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas.
La obtención de energía consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa en energía
eléctrica.
Al hablar de aprovechamiento nos referimos a como la usamos y esto nos da a entender que como aprovechamos la energía
puede ser de distintas maneras.
Hablando de energía eléctrica en nuestros hogares podemos utilizarla en aparatos eléctricos como son: La televisión, la
computadora etc...
También en aparatos electrodomésticos como: La licuadora, el refrigerador, el horno convencional, la plancha, lavadoras,
secadoras, el horno de microondas etc...
Es muy importante que las personas ya no ocupen tanta la energía convencional (energía eléctrica).
Ya no hay que ocupar la energía eléctrica por que contamina mucho a nuestro planeta.
Es más conveniente que ocupen fuentes de energía alternativas. Las fuentes de energía alternativas nos ayudan mucho porque
casi siempre utilizan recursos naturales y no contaminan tanto.
Algunas de las fuentes de energías alternativas son:
 Eólica.
 Hidráulica.
 Biomasa.
 Solar.
 Hidroeléctrica.
La utilización de la energía ha mejorado la "habitabilidad" en las ciudades al aumentar el nivel de confort por medio de la
calefacción y de la iluminación, al posibilitar ciertas transformaciones físico-químicas como el cocinar, la obtención de metales y
el cocido de materiales cerámicos y vítreos, o al incrementar el rendimiento de nuestro esfuerzo muscular por medio de
motores aplicados a máquinas o a vehículos. Junto a ello se han originado unos efectos indeseados -y a menudo desconocidos y
minimizados- que están afectando seriamente a la sostenibilidad del modo de uso de la energía.
La forma como utilizamos la energía también afecta las posibilidades de mantener un desarrollo de nuestra sociedad. Si
consumimos demasiado poca energía, deberemos consumir demasiado esfuerzo para cubrir las necesidades básicas, y no
podremos dedicar el esfuerzo necesario para desarrollarnos. Pero si consumimos demasiada energía, el coste (monetario,
ambiental o de recursos) de este excesivo consumo nos obligará a dedicarle un esfuerzo adicional que no podremos orientar
hacia el desarrollo que perseguimos.
Las formas de energía que se han utilizado para las actividades básicas desarrolladas en el medio urbano de nuestro entorno
han ido evolucionando con el tiempo. El cocinar -que se hizo casi exclusivamente con leña durante muchos siglos- se ha ido
realizando además con carbón en ciertos lugares (en fogones abiertos, en hornos y en cocinas "económicas"), con petróleo, gas
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(ciudad obtenido a partir del carbón, la leña o el petróleo, o butano y natural en tiempos más modernos) o electricidad en
nuestras tierras, pero también se ha empleado estiércol o los rayos solares en otras culturas.
La calefacción se ha conseguido con leña (en chimeneas o diversos tipos de estufas), carbón, petróleo, gas y electricidad, pero
también con residuos como el serrín (en estufas), la paja (en los purgatorios, conducciones de aire caliente bajo el suelo), el
orujo (en los braseros) o la energía solar ya sea con sistemas pasivos, activos o mixtos.
Para la iluminación se han utilizado aceites, grasas, carburos, ceras, petróleo, gas y electricidad de la red o fotovoltaica. Ciertas
actividades mecánicas -como la molienda del grano de los cereales- se han efectuado además de manualmente, por medio de
animales, de ruedas hidráulicas o de molinos de viento por lo que es frecuente aún hoy encontrar calles y plazas con nombres
que lo recuerdan (del molino, de las muelas, de la acequia).
El suministro de agua a las ciudades se ha conseguido por medio de la gravedad (canalizaciones), por medio de ruedas
hidráulicas movidas por los ríos y las mareas, o por medio de bombas accionadas por vapor, gas o electricidad.
Para el transporte colectivo de personas o de mercancías se utilizaron animales de tiro durante siglos, seguidos de vehículos
propulsados por motores de vapor (a carbón), por motores eléctricos (a partir de pilas al principio y de baterías posteriormente,
o alimentados por cables externos como en metros, tranvías y trolebuses), de gas (natural, licuados del petróleo, u obtenidos
por la pirolisis de residuos vegetales como las cáscaras de almendra en los llamados "gasógenos"), o tirados por cables (como
los funiculares y el famoso tranvía de San Francisco).
Como puede verse, no hay un determinismo tecnológico respecto a las fuentes y técnicas a utilizar. Las situaciones actuales son
producto de las decisiones tomadas a lo largo de la historia en cuanto el tipo y la calidad de las prestaciones, los costes
económicos directos y "externos", la salubridad, la contaminación y la asignación de los recursos energéticos entre otros
factores.
A título de ejemplo, citemos diversos casos de prohibición de ciertas fuentes en ciudades a lo largo de la historia. En Inglaterra la
hulla fue prohibida por los problemas sanitarios causados por el humo que producía, y la leña lo fue por la prioridad que tenía
para la marina mercante. El carbón y otros combustibles sólidos similares en París se prohibieron por el problema que
originaban las cenizas en las basuras. En situaciones de contaminación demasiado elevada, se prohíben ciertos tipos de
combustibles en muchas ciudades. En España los vehículos particulares no pueden utilizar los GLP como lo hacen ciertos
vehículos públicos. Lo curioso es que en los domicilios particulares podemos almacenar bombonas con GLP pero no la gasolina
que almacenamos en los vehículos particulares.
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