Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Calor Docente responsable: Fernando Aso CALOR La caloría: Si dos recipientes de distinto tamaño que contienen agua se calientan con idénticos mecheros, se observara que aunque los dos empiecen a calentar desde una misma temperatura ambiente, que el que contiene mayor masa de agua tardará más tiempo en llegar a determinada temperatura. Esto indica que para producir el mismo cambio de temperatura se necesito más energía en un caso que en el otro. A este tipo de energía que entregó la llama del mechero se la denomina calor. Como el calor es una forma de energía, la cantidad de calor debe tener por unidad de medida el Joule. Sin embargo, en la práctica es común utilizar para la medición del calor una unidad denominada caloría. Una caloría (cal) es la cantidad de calor que debe entregarse a un gramo de agua pura para que su temperatura pase de 14,5°C a 15,5°C Como la caloría es una unidad relativamente pequeña, suele utilizarse una unidad múltiplo denominada kilocaloría: 1 Kcal = 1000 cal. Calor específico: Si bien una caloría eleva un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua, es obvio que se necesitará una cantidad diferente de calorías para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de otras sustancias. Ejemplo: Para elevar 1°C la temperatura de 1 g de hierro, se requieren solo 0,105 cal; para producir el mismo cambio de temperatura de 1 g de aluminio, se necesitan 0,22 cal. Se llama calor específico de una sustancia a la cantidad de calor que provoca un aumento de un grado de temperatura en la unidad de masa de dicha sustancia. Es decir, el número de calorías necesarias para elevar 1°C la temperatura de 1 g de sustancia.

Sustancia Aluminio Bronce Cobre Glicerina Hielo Hierro

Calores específicos de algunas sustancias ⎛ cal ⎞ ⎟⎟ C ⎜⎜ Sustancia ⎝ g °C ⎠ 0,220 Mercurio 0,092 Oro 0,093 Plata 0,600 Plomo 0,500 Vidrio 0,105 Zinc

⎛ cal ⎞ ⎟⎟ C ⎜⎜ ⎝ g °C ⎠ 0,033 0,031 0,056 0,031 0,160 0,092

Teniendo en cuenta la definición de calor específico, es sencillo encontrar una expresión para calcular la cantidad de calor (Q) entregada a una masa (m) de una sustancia para elevar su temperatura en cierto valor ( Δt ). El calor entregado a un cuerpo es directamente proporcional a su masa y a la variación de temperatura que experimenta. La constante de proporcionalidad es una magnitud escalar que depende de la sustancia de que esta hecho el cuerpo y es el calor específico.

Q = c ⋅ m ⋅ Δt Calor sensible y calor latente. El hecho de que un cuerpo absorba calor y no necesariamente cambien su temperatura, motivó el estudio más detallado de esta forma de energía y los procesos asociados a su transmisión.

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Calor Docente responsable: Fernando Aso Cambios de estado. Calor latente. Consideremos el siguiente experimento, sacamos un cubo de hielo del freezer y medimos su temperatura con un termómetro, supongamos que indica -20°C. Lo colocamos en un recipiente y sobre una hornalla entregándole cierta cantidad de calor. En estas condiciones se observa que la temperatura del cubo aumenta hasta llegar a 0°C. A esta temperatura comienza el cambio de estado de la fase sólida a líquida y mientras dura ese proceso la temperatura del agua no varía. Cuando se derritió completamente el hielo nuevamente comienza a aumentar la temperatura hasta los 100°C. Se produce la ebullición pasando del estado líquido al gaseoso y nuevamente en este proceso la temperatura permanece constante. Una vez concluida el cambio de fase, el vapor puede aumentar nuevamente la temperatura. 140 t (°C) 120 100

Calor latente

80 60

Calor sensible

40 20 0 ‐20 0

5

10

15

Q (Kcal) 20

‐40

En el gráfico se ve cómo varía la temperatura de la masa de agua a medida que se le entrega calor. Mientras se producen cambios de estado, la temperatura permanece constante aunque se le siga entregando calor. Una vez que toda la masa cambia de estado, la temperatura aumenta nuevamente. Obsérvese que la cantidad de calor necesario para pasar de líquido a vapor es mayor que para el pasaje de sólido a líquido. Cuando un cuerpo se encuentra a la temperatura a la que cambia de estado, el calor que intercambie se utilizará para producir este cambio y no causará variación de temperatura. Microscópicamente esto significa que la energía suministrada al cuerpo se invierte en alteraciones de su estructura sin cambiar la velocidad promedio de las moléculas. La energía térmica que un cuerpo intercambia cuando cambia de estado (y no produce variación de temperatura) se la denomina calor latente. Esta magnitud se calcula como el cociente entre la cantidad de calor que un cuerpo absorbe o cede para cambiar de estado y su masa. [Q] = cal Q L = ⇒ Q = m⋅L su unidad resulta: [L ] = [m] g m Al calor latente de fusión se lo representa como L f , el de solidificación Ls , el de condensación Lc y el de vaporización Lv . Los valores de los calores latentes son los siguientes:

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Calor Docente responsable: Fernando Aso cal cal cal cal L f = 80 Ls = −80 Lv = 539 Lc = −539 gr gr gr gr Transmisión del calor La energía calórica pasa en forma espontánea de un cuerpo más caliente a uno más frío, las formas en las que se propaga el calor son las siguientes: Conducción: Es un proceso por el cual se transmite energía calórica a través de la sustancia, de una molécula a la otra, gracias al contacto físico que existe entre dos cuerpos. Convección: Se da en los gases y líquidos y es un proceso en el cual la materia en movimiento es la responsable de transportar el calor. En el caso de un recipiente con agua que se calienta en una hornalla, el agua del fondo del recipiente se calienta primero al calentarse se dilata y su densidad disminuye con respecto al agua fría que esta por encima. Por lo tanto según Arquímedes al agua caliente sube mientras la fría baja y esto da lugar a lo que se conoce como corrientes de convección y mantiene el agua en movimiento hasta que se calienta completamente. Radiación: Se produce de la misma forma y con la misma velocidad con que se propaga la luz en el vacío 300000 km/seg. Son ondas electromagnéticas llamadas infrarrojos que no son visibles para el ojo humano pero podemos percibirla por el sentido del tacto.