CALOR Y TEMPERATURA •

EL CALOR Y TEMPERATURA

CALOR El calor es la energía intercambiada entre dos cuerpos cuando se ponen en contacto y se encuentran a distinta temperatura. Pasará calor del cuerpo caliente al cuerpo frío hasta que los dos cuerpos alcancen la misma temperatura, e decir, alcancen el equilibrio térmico. En el SI el calor se mide en Julios (J) aunque es frecuente expresarlo en valorías (cal). Factor de conversión: 1 J
0,24 cal Este factor de conversión se conoce como el equivalente mecánico del calor. Esta energía que se transfiere de un cuerpo a otro (calor) proviene de la energía interna del cuerpo; entendiendo por energía interna a la suma de la energía cinética y potencial de cada una de las partículas que lo forman. ESCALAS TERMOMÉTRICAS La temperatura es una medida de la energía cinética media (agitación térmica) de las partículas del cuerpo. Por lo tanto, cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo mayor será la velocidad a la que se mueven las partículas que lo forman La temperatura se puede medir utilizando cualquiera de las tres escalas termométricas: -

Escala Celsius o centígrada. Escala Kelvin o absoluta. Escala Fahrenheit.

Para pasar de una escala a otra podemos utilizar las siguientes expresiones: T (K) = t (oC) + 273

t (oF) = 1,8.t(oC) + 32

Demostración: Escala Celsius

Pto ebullición H2O

Pto fusión H2O

Escala Fahrenheit

Escala Kelvin

100 oC

212 oF

373 K

t (oC)

t (oF)

T (K)

32 oF

273 K

0 oC

180 t ( o C ) t ( o C ) − 0 t ( o F ) − 32 t ( o C ) t ( o F ) − 32
=
= t ( o F ) − 32 = 100 − 0 212 − 32 100 180 100




1,8 t ( o C ) = t ( o F ) − 32
t ( o F ) =1,8 t ( o C ) + 32

t ( o C ) − 0 T ( K ) − 273 t ( o C ) T ( K ) − 273
=
=
t ( o C ) = T ( K ) − 273 100 − 0 373 − 273 100 100 T ( K ) = t ( o C ) + 273

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LOS EFECTOS DEL CALOR

VARIACIÓN DE TEMPERATURA Al comunicarle calor a un cuerpo podemos variarle su temperatura.

. Q = m . ce . ∆T

T1

Q

T2

Q: calor (J) m: masa del cuerpo (kg) ce: calor específico (J/kgK) ∆T: variación de temperatura (K)
∆T = T2 – T1

Se define calor específico (ce) de una sustancia como el calor que hay que suministrar a 1 kg de dicha sustancia para que aumente su temperatura 1 oC ó 1 K. Ce agua = 4180 J/kgK

ce hielo = 2090 J/kgK

Nota: ∆T = ∆t pues las escalas Celsius y Kelvin son escalas centígradas. t1 = 0 oC

y t2 = 10 oC


∆t = 10 – 0 = 0 oC ∆T = ∆t

T1 = 273 K y T2 = 283 K
∆T = 283 – 273 = 10 K

CAMBIO DE ESTADO Al comunicarle calor a un cuerpo podemos provocarle un cambio de estado. Q Estado de agregación 1

Q=m.L

Estado de agregación 2

Q: calor (J) m: masa del cuerpo (kg) L: calor latente (J/kg)

Se define calor latente (L) de una sustancia como el calor que hay que suministrar a 1 kg de dicha sustancia para provocarle un cambio de estado a temperatura constante. H2 O

Lf = 3,335.105 J / kg Fusión

SÓLIDO

Lv = 2,257.106 J / kg Vaporización

LÍQUIDO Solidificación

GASEOSO Condensación

La vaporización de una sustancia de puede producir de dos maneras: Evaporación es el cambio de estado de líquido a gas que se produce solo en la superficie del líquido. La evaporación se produce a cualquier temperatura y aumenta con la misma. Ebullición es el cambio de estado de líquido a gas que tiene lugar en toda la masa del líquido. La ebullición de produce una la temperatura determinada llamada punto de ebullición. El calor latente de vaporización se refiere a este proceso.

EJERCICIOS: CALOR Y TEMPERATURA •

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

1. Expresa en Kelvin las siguientes temperaturas: a) 24 oC b) – 10 oC c) 72 oF d) – 460 oF Rta: a) T = 297 K b) T = 263 K c) T = 295 K d) T = 0 K 2. Ordena de menor a mayor las siguientes temperaturas: a)100 oC b) 350 K c) 200 oF 3. Un termómetro graduado en grados Fahrenheit mide una temperatura exterior de 13 oF: a) Expresa este valor en grados Celsius; b) ¿Qué marcaría este termómetro al situarlo en una habitación a 19 oC? Rta: a) t = – 10,6 oC b) t = 66,2 oF 4. La temperatura ambiente en cierto lugar es de 20 oC. Exprésala en grados Kelvin y en grados Fahrenheit. Rta: T = 293 K t = 68 oF

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CONSECUENCIAS DEL CALOR

1. Calcula la cantidad de calor que se necesita para aumentar 30 oC la temperatura de una botella con 2 L de agua. Datos: Dagua = 1000 kg/m3 ce agua = 4180 J/kgK Rta: Q = 2,5.105 J 2. Calcula el calor necesario para vaporizar 2 L de agua. Datos: Dagua = 1000 kg/m3 Lv agua = 2,257.106 J / kg Rta: Q = 4,51.106 J 3. ¿Qué cantidad de calor hacen falta para que 5 kg de agua se congelen? Dato: Lf agua = 3,335.105 J / kg Rta: Q = - 1,67.106 J 4. ¿Qué cantidad de hielo podemos derretir si disponemos de 100 kJ? Dato: Lf agua = 3,335.105 J / kg Rta: m = 0,3 kg hielo 5. ¿Qué cantidad de calor hace falta para que fundan 20 g de hielo que se encuentran a – 15 oC? Datos: Lf agua = 3,335.105 J / kg ce hielo = 2090 J/kgK Rta: Q = 7300 J 6. Una broca de cobalto de 50 g se enfría desde 270 oC hasta 24 oC. Calcula el calor cedido por la broca. Dato: ce Co = 420 J kg-1 K-1 Rta: Q = - 5170 J

7. Sabiendo que la temperatura de ebullición del benceno es 80,2 oC y su calor de vaporización 396 kJ/kg, calcula la masa de benceno líquido que podemos vaporizar al comunicarle 59400 J de energía. Rta: m = 150 g 8. Un bloque de hielo de 1 kg de masa que está inicialmente a – 10 oC se pone en contacto con un foco calorífico. Después de un cierto tiempo se observa que se transformó totalmente en agua líquida a 20 oC. Calcula el calor total absorbido en el proceso Datos: Lf agua = 3,335.105 J / kg ce hielo = 2090 J/kgK ce agua = 4180 J/kgK Rta: Q = 438000 J 9. Un recipiente que contiene 3 kg de agua a 80 oC pierde una energía, en forma de calor, de 7,52.105 J. Calcula la temperatura final del agua (en grados Celsius y en grados Fahrenheit). Dato: Ce agua = 4180 J/kgK Rta: t2 = 20 oC = 68 oF 10. Calcula la cantidad de calor necesaria para transformar de 10 g de hielo a 0 oC en vapor de agua a 100 oC. Datos: Ce agua = 4180 J/kg K Lf agua = 3,34.105 J/kg Lv agua = 2,26.106 J/kg Rta: Q = 3,01.104 J