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lunes, 29 de febrero de 2016

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15.3- Calor



En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la segunda parte de la clase sobre CALOR.

Temperatura absoluta

Pensemos por un momento esta pregunta ¿Si un cuerpo tiene una temperatura de 2°C, sus partículas tendrán el doble de energía media que las de un cuerpo a 1°C? Para establecer una correspondencia real entre temperatura y energía media de la agitación de las partículas hay que establecer el cero de la temperatura en el cero de energía media. Este es el cero absoluto y cuando empezamos a contar desde ese punto obtenemos una escala absoluta.

La forma más sencilla de buscar este punto es a partir del coeficiente de dilatación de los gases. Recordemos que a presión constante el coeficiente de dilatación cúbica de los gases ideales era 1/273.15°C. Según eso, si un gas ocupa cierto volumen a 0°C, su volumen será cero al alcanzar la temperatura el valor de -273.15°C. En los gases reales no se puede producir nunca esta situación porque , sus particulas componentes tienen un tamaño no puntual que impediría alcanzar el volumen cero. En la práctica cualquier gas se licúa al acercarse a temperaturas tan baja. No obstante el valor de -273.15°C sique siendo el límite inferior de la temperatura, es el cero absoluto.




Hay una escala absoluta correspondiente a la Celsius; se trata de la escala Kelvin, cuya unidad (K) es la adoptada por el SI. Siempre se cumple que:


Existe también una escala absoluta correspondiente a la escala Fahrenheit, la escala Rankine. En esta escala:


Sin embargo, en los ejercicios utilizaremos la escala Kelvin.



Calor específico
No todas las sustancias aumentan su temperatura igualmente al recibir la misma cantidad de calor. Llamamos capacidad calorífica de un cuerpo a la cantidad de calor que hay que darle para que su temperatura ascienda 1°C (se mide en cal/°C).

La capacidad depende tanto de la sustancia de que se trate, como de su masa. Por ello definimos el calor especifico de un cuerpo como la capacidad calorífica de 1g de ese cuerpo (se mide en cal/g°C).

El calor específico sólo depende de la naturaleza del cuerpo llamando ca esta nueva magnitud, el calor Q que absorbe una masa m de un cuerpo cuando la temperatura pasa de un valor inicial To a otro valor Tf:


Así vemos que el calor absorbido (Q>0) o emitido (Q<0) por un cuerpo, depende de la masa del cuerpo, de la variación de la temperatura y de la naturaleza del cuerpo. El signo del calor viene dado por lo valores de las temperaturas inicial y final.

El calor específico de una sustancia se determina con un aparato conocido como calorímetro.


Ya quedó establecido que la Naturaleza busca el equilibrio térmico. Entre dos cuerpos a diferentes temperaturas, el calor pasa del mas caliente al más frío, hasta que se igualan las temperaturas.

La temperatura de equilibrio se verá afectada por el calor específico de las sustancias que intervienen. En la imagen de abajo se ve la diferencia entre dos casos aparentemente iguales. En los dos existe la misma cantidad de sustancia.


Sin embargo, en el primer caso, la sustancia verde tiene un calor específico muy bajo, mientras que en el segundo es la sustancia azul la que se encuentra en este caso.

Si realizamos diversos experimentos con diferentes sustancias, masas y temperaturas, se llega a estas conclusiones:
  • En todos los casos, la velocidad de transferencia de calor es mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas. A medida que las temperaturas se aproximan, la transferencia de calor es más lenta.
  • Si las masas y los calores específicos de las sustancias son iguales, la temperatura de equilibrio es el punto medio entre las dos temperaturas iniciales.
  • Si los calores específicos sin iguales y las masas son diferentes, la temperatura de equilibrio se desplaza hacia la temperatura de la sustancia de mayor masa.
  • Si las masas son iguales y los calores específicos son diferentes, la temperatura de equilibrio se desplaza hacia la temperatura de la sustancia con mayor calor específico.

Donde Te es la temperatura de equilibrio, y uno de los lados de la igualdad tiene símbolo negativo, porque cuando un cuerpo absorbe energía (positivo) el otro pierde (negativo).


Hagamos un ejercicio juntos:

Mezclamos 800g de un líquido A, de 0.8 cal/g°C de calor específico y temperatura inicial de 72°C con 600g de agua a 57°C. ¿Cuánto vale la temperatura de equilibrio?

Primero despejamos Te de la fórmula:


Ahora reemplazamos los datos y calculamos:



Equivalencia entre calor y energía


Hasta ahora hemos utilizado la caloría para medir las transferencias de energía térmica. ¿A qué valor corresponde esta unidad en energía mecánica? Joule diseñó en complicado aparato de la imagen para medir este valor con este plan: Al caer la pesa, su energía potencial va disminuyendo transmitiéndose al agua mediante el movimiento de las paletas. El agua la acumula como energía térmica, lo que se traduce en un aumento de la temperatura.

De esta forma, la energía potencial perdida por la pesa se convertirá en calor:



Donde el factor K es el número de Joules que tiene una caloría (equivalente mecánico del calor) y que se puede calcular con facilidad al conocer todos los restantes datos. Su valor es K=4.18 cal/J.

About Ana Emilia de Orellana

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