- EL CALOR Y LA TEMPERATURA - CALORIMETRÍA

1. ÍNDICE
I. EL CALOR Y LA TEMPERATURA ….……………………………………………………… 3
1.1. El Calor ………..…..…………………………………………… 3
1.1. La Temperatura …………………………………………………………… 3
II. CALORIMETRÍA .….….…………………………………………………. 12
Bibliografía ……………………………………………………………. 20
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2. CALORIMETRÍA
I. EL CALOR Y LA TEMPERATURA
1.1. El Calor:
El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un
mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia
de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar
la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos
se encuentran presentes en mayor o menor grado.
El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de
transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no
tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energ ía interna
(energía calorífica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.
El calor se define como la transferencia de energía que se da entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo
en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía.
Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de
menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren
en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de
transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los
procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los
cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este cas o
nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de
un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.
1.2. La Temperatura:
Supongamos que uno tiene un ladrillo y lo calienta. Ahora el ladri llo tiene mayor
temperatura. Veamos qué quiere decir esto de tener mayor temperatura.
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3. Desde el punto de vista de la física, calentar una cosa significa hacer que sus moléculas
se muevan (vibren) más rápido. Esa medida de la agitación de las moléculas s e llama
TEMPERATURA.
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio
o frío que puede ser medida con untermómetro. En física, se define como una magnitud
escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio
cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la
energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos
de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma
de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que
éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las
partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los
movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos
rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
Ley cero de la termodinámica
Antes de dar una definición formal de temperatura, es necesario entender el concepto
de equilibrio térmico. Si dos partes de un sistema entran en contacto térmico es probable que
ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de
calor entre las partes. Para que un sistema esté en equilibrio térmico debe llegar al punto en que
ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes, además ninguna de las propiedades que
dependen de la temperatura debe variar.
Una definición de temperatura se puede obtener de la Ley cero de la termodinámica, que
establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con un tercer sistema C,
entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Este es un hecho empírico
más que un resultado teórico. Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en equilibrio
térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física.
Llamamos a esta propiedad temperatura.
Sin embargo, para que esta definición sea útil es necesario desarrollar un instrumento
capaz de dar un significado cuantitativo a la noción cualitativa de ésa propiedad que
presuponemos comparten los sistemas A y B. A lo largo de la historia se han hecho numerosos
intentos, sin embargo en la actualidad predominan el sistema inventado por Anders
Celsius en 1742 y el inventado por William Thomson (más conocido como lord Kelvin) en 1848.
Segunda ley de la termodinámica
También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la
termodinámica, la cual dice que la entropía de todos los sistemas, o bien permanece igual o bien
aumenta con el tiempo, esto se aplica al Universo entero como sistema termodinámico. La
entropía es una medida del desorden que hay en un sistema. Este concepto puede ser entendido
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4. en términos estadísticos, considere una serie de tiros de monedas. Un sistema pe rfectamente
ordenado para la serie, sería aquel en que solo cae cara o solo cae cruz. Sin embargo, existen
múltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema, es decir que
haya una fracción de caras y otra de cruces. Un sistema desordenado podría ser aquel en el que
hay 90 % de caras y 10 % de cruces, o 60 % de caras y 40 % de cruces. Sin embargo es claro
que a medida que se hacen más tiros, el número de combinaciones posibles por las cuales el
sistema se desordena es mayor; en otras palabras el sistema evoluciona naturalmente hacia un
estado de desorden máximo es decir 50 % caras 50 % cruces de tal manera que cualquier
variación fuera de ese estado es altamente improbable.
Para dar la definición de temperatura con base en la segunda ley, habrá que introducir el
concepto de máquina térmica la cual es cualquier dispositivo capaz de transformar calor
entrabajo mecánico. En particular interesa conocer el planteamiento teórico de la máquina de
Carnot, que es una máquina térmica de construcción teórica, que establece los límites teóricos
para la eficiencia de cualquier máquina térmica real.
Aquí se muestra el ciclo de la máquina térmica descrita por Carnot, el calor entra al
sistema a través de una temperatura inicial (aquí se muestra comoTH) y fluye a través del mismo
obligando al sistema a ejercer un trabajo sobre sus alrededores, y luego pasa al medio frío, el
cual tiene una temperatura final (TC).
En una máquina térmica cualquiera, el trabajo que esta realiza corresponde a la
diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Por lo tanto, la eficiencia
es el trabajo que realiza la máquina dividido entre el calor que se le suministra:
(1)
Donde Wci es el trabajo hecho por la máquina en cada ciclo. Se ve que la eficiencia
depende solo de Qi y deQf. Ya que Qi y Qf corresponden al calor transferido a las
temperaturas Ti y Tf, es razonable asumir que ambas son funciones de la temperatura:
(2)
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5. Sin embargo, es posible utilizar a conveniencia, una escala de temperatura tal que:
(3)
Sustituyendo la ecuación (3) en la (1) relaciona la eficiencia de la máquina con la
temperatura:
(4)
Hay que notar que para Tf = 0 K la eficiencia se hace del 100 %, temperaturas inferiores
producen una eficiencia aún mayor que 100 %. Ya que la primera ley de la termo dinámica
prohíbe que la eficiencia sea mayor que el 100 %, esto implica que la mínima temperatura que
se puede obtener en un sistema microscópico es de 0 K. Reordenando la ecuación (4) se
obtiene:
(5)
Aquí el signo negativo indica la salida de calor del sistema. Esta relación sugiere la
existencia de una función de estado S definida por:
(6)
Donde el subíndice indica un proceso reversible. El cambio de esta función de estado en
cualquier ciclo es cero, tal como es necesario para cualquier función de estado. Esta función
corresponde a la entropía del sistema, que fue descrita anteriormente. Reordenando la ecuación
siguiente para obtener una definición de temperatura en términos de la entropía y el calor:
(7)
Para un sistema en que la entropía sea una función de su energía interna E, su
temperatura está dada por:
(8)
Esto es, el recíproco de la temperatura del sistema es la razón de cambio de su entropía
con respecto a su energía.
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6. Unidades de temperatura
Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos,
las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala
de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las
escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.
Relativas
 Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders
Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una
mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en
el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm
de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de
temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó
grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su
honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula para denominarlos.
En 1954 la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas
en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto
escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases del agua
coexisten en equilibrio, al cual se le asignó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo
grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 1/273,16 del intervalo
de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva
escala los puntos de fusión y ebullición del agua son 0,00 °C y 100,00 °C
respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de
tener una definición termodinámica.
 Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una
disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal
corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en
los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como
el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius.
 Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriales específicos, como el
del almíbar.
Absolutas
Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se
conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo en el estudio de la termodinámica es
necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias.
Las escalas de éste tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura
termodinámicas.
Con base en el esquema de notación introducido en 1967, en la Conferencia General de
Pesos y Medidas (CGPM), el símbolo de grado se eliminó en forma oficial de la unidad de
temperatura absoluta.
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7. Sistema Internacional de Unidades (SI)
 Kelvin (K) El kelvin es la unidad de medida del SI. La escala kelvin absoluta parte del
cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del
agua es exactamente a 273,16 K.
Aclaraciones: No se le antepone la palabra grado ni el símbolo º. Cuando se escribe la palabra
completa, «kelvin», se hace con minúscula, salvo que sea principio de párrafo.
Sistema anglosajón de unidades
 Rankine (R o Ra). Escala con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit,
cuyo origen está en -459,67 °F.
Conversión de temperaturas
Las siguientes fórmulas asocian con precisión las diferentes escalas de temperatura:
Kelvin Grado Celsius Grado Fahrenheit Rankine
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Kelvin
Grado
Celsius
C = (F - 32) C = (Ra - 491,67)
Grado
Fahrenheit - 459,67 F = C + 32
Rankine Ra = (C + 273,15)
Grado
Réaumur
Re = C Re = (F - 32) Re = (Ra - 491,67)

8. Temperatura en distintos medios
Se comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia anteriores
a 1954 y los posteriores para mostrar cómo ambas convenciones coinciden. De color negro
aparecen el punto triple del agua (0,01 °C, 273,16 K) y el cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De
color gris los puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del agua (100 °C, 373,15
K).
La temperatura en los gases
Para un gas ideal, la teoría cinética de gases utiliza mecánica estadística para relacionar
la temperatura con el promedio de la energía total de los átomos en el sistema. Este promedio de
la energía es independiente de la masa de las partículas, lo cual podría parecer contra intuitivo
para muchos. El promedio de la energía está relacionado exclusivamente con la temperatura del
sistema, sin embargo, cada partícula tiene su propia energía la cual puede o no corresponder
con el promedio; la distribución de la energía, (y por lo tanto de las velocidades de las partículas)
está dada por la distribución de Maxwell-Boltzmann. La energía de los gases
ideales monoatómicos se relaciona con su temperatura por medio de la siguiente expresión:
, donde (n= número de moles, R= constante de los gases ideales).
En un gas diatómico, la relación es:
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9. El cálculo de la energía cinética de objetos más complicados como las moléculas, es
más difícil. Se involucran grados de libertad adicionales los cuales deben ser considerados. La
segunda ley de la termodinámica establece sin embargo, que dos sistemas al interactuar el uno
con el otro adquirirán la misma energía promedio por partícula, y por lo tanto la misma
temperatura.
En una mezcla de partículas de varias masas distintas, las partículas más masivas se
moverán más lentamente que las otras, pero aun así tendrán la misma energía promedio. Un
átomo de Neón se mueve relativamente más lento que una molécula de hidrógeno que tenga la
misma energía cinética. Una manera análoga de entender esto es notar que por ejemplo, las
partículas de polvo suspendidas en un flujo de agua se mueven más lentamente que las
partículas de agua. Para ver una ilustración visual de éste hecho vea este enlace. La ley que
regula la diferencia en las distribuciones de velocidad de las partículas con respecto a su masa
es la ley de los gases ideales.
En el caso particular de la atmósfera, los meteorólogos han definido la temperatura
atmosférica (tanto la temperatura virtual como la potencial) para facilitar algunos cálculos.
Sensación térmica
Es importante destacar que la sensación térmica es algo distinto de la temperatura tal
como se define en termodinámica. La sensación térmica es el resultado de la forma en que
la piel percibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la
temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensación térmica es un poco compleja de
medir por distintos motivos:
El cuerpo humano regula su temperatura para mantenerla aproximadamente constante
(alrededor de 36,5 °C).
El cuerpo humano produce calor constantemente, que es el residuo de la digestión de
los alimentos que ingiere. Ese calor sirve para mantener la temperatura antes dicha, y para ello
debe disipar el sobrante en el ambiente.
Si las condiciones del entorno hacen que las pérdidas sean iguales a la producción el
cuerpo siente bienestar térmico.
Si las condiciones del entorno hacen que las pérdidas de calor superen a la producción,
el cuerpo siente frío.
Si las condiciones impiden que el calor sobrante se disipe, el cuerpo siente calor.
Las pérdidas o ganancias dependen de varios factores, no solo de la temperatura seca
del aire.
Se produce intercambio por convección. El aire en contacto con la piel, se calienta y
asciende, siendo sustituido por aire más fresco, que a su vez se calienta. Si el aire es más
caliente ocurre al revés.
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10. Por transmisión. La piel en contacto con cuerpos más fríos, cede calor. Si son más
calientes, recibe calor.
Por radiación. La piel intercambia calor por radiación con el entorno: si la temperatura
radiante media del entorno es más fría que la de la piel, se enfría, si es al contrario, se calienta.
Por evapotranspiración. Al evaporarse el sudor o la humedad de la piel o de las
mucosas, se produce una pérdida de calor siempre, debida al calor latente de evaporación del
agua.
Por todo ello, la sensación de comodidad depende de la incidencia combinada de los
factores que determinan estos cuatro tipos de intercambio: temperatura seca, temperatura
radiante, temperatura húmeda (que señala la capacidad del aire para admitir o no la evaporación
del sudor) y la velocidad del aire (que incide sobre la convección y la evaporación del sudor). La
incidencia en las pérdidas de la transmisión es pequeña, salvo q ue la piel, o parte, esté en
contacto con objetos fríos.
Temperatura seca
Se llama temperatura seca del aire de un entorno (o más sencillamente: temperatura
seca) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos que rodean
ese ambiente concreto, y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se
puede obtener con el termómetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color
blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiación.
Temperatura radiante
La temperatura radiante tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos
del entorno.
Se toma con un termómetro de globo, que tiene el depósito de mercurio o bulbo,
encerrado en una esfera o globo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a
uncuerpo negro y así absorber la máxima radiación.
Las medidas se pueden tomar bajo el sol o bajo sombra. En el primer caso se tendrá en
cuenta la radiación solar, y se dará una temperatura bastante más elevad a.
También sirve para dar una idea de la sensación térmica.
La temperatura de bulbo negro hace una función parecida, dando la combinación de la
temperatura radiante y la ambiental.
Temperatura húmeda
Temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda, es la temperatura que da
un termómetro bajo sombra, con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una
corriente de aire. La corriente de aire se produce mediante un pequeño ventilador o poniendo el
termómetro en un molinete y haciéndolo girar. Al evaporarse el agua, absorbe calor rebajando la
temperatura, efecto que reflejará el termómetro. Cuanto menor sea la humedad relativa del
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11. ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se
utiliza para dar una idea de la sensación térmica, o en los psicrómetros para calcular la humedad
relativa y la temperatura del punto de rocío.
II. CALORIMETRÍA
La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios
físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría
deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la
distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría.
Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor
demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.
La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su
producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en
organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780
que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales.
Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por
calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para
hacer las mediciones.
La calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando un
instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando
el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de
nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.
ΔU = cambio de energía interna
Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio
de entalpía.
Calorimetría a presión constante
El calor medido es igual al cambio en la energía interna del sistema menos el trabajo
realizado:
Como la presión se mantiene constante, el calor medido representa el cambio de
entalpía.
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12. Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del ambiente en la variación de
la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico. Este se producía
cuando algo se quemaba y, además, que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría
del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra, necesariamente,
poseía mayor cantidad de calórico.
Benjamín Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía
convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simpleme nte,
era otra forma de la energía.
Calor específico
El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo
de materia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de
un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).
El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se
proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
donde:
es el calor aportado al sistema.
es la masa del sistema.
es el calor específico del sistema.
y son las temperaturas inicial y final del sistema respectivamente.
es el diferencial de temperatura.
Las unidades más habituales de calor específico son J / (kg · K) y cal / (g · °C).
El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos
procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor
específico es constante. Asimismo, también se diferencia del proceso que se lleve a cabo,
distinguiéndose especialmente el "calor específico a presión constante" (en un proceso
isobárico) y "calor específico a volumen constante (en un proceso isocórico).
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13. De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del
agua es aproximadamente:
Calor específico molar
El calor específico de una sustancia está relacionado su constitución molecular interna, y
a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas
intermoleculares. A altas temperaturas la mayoría de sólidos tienen capacidades caloríficas
molares del orden de (ver Ley de Dulong-Petit, siendo la constante universal de
los gases ideales) mientras que la de los gases monoatómicos tiende a y difiere de la
de gases diatómicos . En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor
específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar
la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:
Donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente. Esta capacidad
usualmente es función de la temperatura .
Capacidad calorífica
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. Se denota por , se acostumbra a medir en J/K, y se define como:
Dado que:
De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:
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14. Cambios de fase
En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al
aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les
conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son:
De estado sólido a líquido, llamado fusión,
De estado líquido a sólido, llamado solidificación,
De estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
De estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
De estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva,
De estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición,
De estado gaseoso a plasma, llamado ionización.
De estado plasma a gaseoso, llamado Desionización.
Calor latente
Un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas a
cualquier temperatura, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en
una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias diferentes. Pero lo que es
menos evidente es que dos fases o estados de agregación, distintas de una misma sustancia,
puedan estar en equilibrio térmico entre sí en circunstancias apropiadas.
Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una
presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una temperatura
llamada punto de fusión simbolizado a veces como . A esta temperatura, se necesita cierta
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15. cantidad de calor para poder fundir cierta cantidad del material sólido, pero sin que haya un
cambio significativo en su temperatura. A esta cantidad de energía se le llama calor de
fusión, calor latente de fusión o entalpía de fusión, y varía según las diferentes sustancias. Se
denota por .
El calor de fusión representa la energía necesaria para deshacer la fase sólida que está
estrechamente unida y convertirla en líquido. Para convertir líquido en sólido se necesita la
misma cantidad de energía, por ello el calor de fusión representa la energía necesaria para
cambiar del estado sólido a líquido, y también para pasar del estado líquido a sólido.
El calor de fusión se mide en cal / g.
De manera similar, un líquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en
equilibrio térmico a una temperatura llamada punto de ebullición simbolizado por . El calor
necesario para evaporar una sustancia en estado líquido ( o condensar una sustancia en estado
de vapor ) se llama calor de ebullición o calor latente de ebullición o entalpía de ebullición, y se
mide en las mismas unidades que el calor latente de fusión. Se denota por .
En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de fusión y ebullición, y
entalpías de algunas sustancias:
sustancias [°C] [cal/g] [°C] [cal/g]
H2O 0,00 79,71 100,00 539,60
O2 -219,00 3,30 -182,90 50,90
Hg -39,00 2,82 357,00 65,00
Cu 1083,00 42,00 2566,90
Transmisión de calor
El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por convección o por
radiación.
Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más
cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a
diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej:
cuchara metálica en la taza de té.
Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de
volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra
temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio.
Ej.: los calefactores dentro de la casa.
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16. Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas.
Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero
de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar.
La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos. La convección siempre está
acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de distinta temperatura
en un líquido o gas en movimiento. En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento
depende del tipo de material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica por
qué algunos cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exac tamente la misma
forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor.
Conductividad térmica
La conductividad térmica de un cuerpo está dada por:
donde:
es el calor entregado,
es el intervalo de tiempo durante el cual se entregó calor,
es el coeficiente de conductividad térmica propio del material en cuestión,
es la sección del cuerpo,
es la longitud, y
es el incremento en la temperatura.
Medida experimental del calor
Para determinar, de manera directa, el calor que se pone de manifiesto en un proceso de
laboratorio, se suele emplear un calorímetro. En esencia, se trata de un recipiente que contiene
el líquido en el que se va a estudiar la variación de energía por transferencia de calor y cuyas
paredes y tapa (supuestamente adiabáticas) deben aislarlo, al máximo, del exterior.
Un termo de paredes dobles de vidrio, cuyas superficies han sido previamente
metalizadas por deposición y que presenta un espacio vacío entre ellas es, en principio, un
calorímetro aceptable para una medida aproximada de la transferencia de calor que se
manifiesta en una transformación tan sencilla como esta. El termo se llama vaso Dewar y lleva el
nombre del físico y químico escocés James Dewar, pionero en el estudio de las bajas
temperaturas. En la tapa aislante suele haber un par de orificios para introducir un
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17. termómetro con el que se evaluaría el incremento (o decremento) de la temperatura interior del
líquido, y un agitador para tratar de alcanzar el equilibrio térmico en su interior lo más rápido
posible, usando un sencillo mecanismo de convección forzada.
No sólo el líquido contenido en el calorímetro absorbe calor, también lo absorben las
paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde calor. Esta intervención del calorímetro
en el proceso se representa por su equivalente en agua. La presencia de esas paredes, no
ideales, equivale a añadir al líquido que contiene, los gramos de agua que asignamos a la
influencia del calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". El "equivalente en agua" vie ne
a ser "la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro"
Unidades de medida
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que
la de la energía y el trabajo: el Joule.
Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica
intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a
un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan lugar a
diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en
comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en
nutrición.
1 kcal = 1000 cal
Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por
un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció elequivalente
mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido
como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:
1 cal = 4,184 J
El BTU (unidad térmica británica), es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos de
América y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe
agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit' y equivale a
252 calorías.
Termodinámica y transferencia de calor
La termodinámica se interesa en la cantidad de transferencia de calor a medida que un
sistema pasa por un proceso, sin indicar cuánto tiempo transcurrirá. Un estudio termodinámico
sencillamente nos dice cuánto calor debe transferirse para que se realice un cambio de estado
específico, con el fin de cumplir con el principio de conservación de la energía. En la exper iencia
nos enfocamos más en la velocidad de la transferencia de calor que en la cantidad transferida.
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18. La termodinámica trata de los estados en equilibrio y de los cambios que ocurren entre un estado
de equilibrio y otro. Por otra parte, la transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que
se presenta desequilibrio térmico y, por tanto, existe una condición de no equilibrio. En
consecuencia, el estudio de la transferencia de calor no puede basarse sólo en los principios de
la termodinámica; sin embargo, existen leyes de la termodinámica que constituyen la base
científica de la transferencia de calor.
La primera ley de la termodinámica establece que la velocidad de transferencia de
energía hacia un sistema es igual a la velocidad de incremento de la energía de dicho sistema.
Su segunda ley, establece que el calor se transfiere en dirección de la temperatura decreciente.
El requisito básico para la transferencia de calor es la presencia de una diferencia de
temperatura. No existe la más mínima posibilidad de que se dé transferencia neta de calor entre
dos medios que están a la misma temperatura, esta diferencia de temperaturas constituye la
condición básica necesaria para que se dé transferencia de calor.
Anteriormente mencionamos que el análisis termodinámico no se ocupa de la velocidad
de la transferencia de calor en cierta dirección pero, ahora, podemos decir que este parámetro
depende de la magnitud del gradiente de temperatura (o diferencia de temperatura por unidad de
longitud, o la razón o relación de cambio de la temperatura en esa dirección). A mayor gradiente
de temperatura, mayor es la velocidad de transferencia de calor.
Áreas de aplicación de la transferencia de calor
Es común encontrar la transmisión de calor en los sistemas de ingeniería y otros
aspectos de la vida; y no es necesario ir muy lejos para ver algunas de sus áreas de aplicación.
Es más, uno de los ejemplos más sencillos lo encontramos dentro del cuerpo humano, éste
permanece emitiendo calor en forma constante hacia sus alrededores y la comunidad humana
está íntimamente influenciada por la velocidad de esta emisión de calor. Tratamos de controlar la
velocidad de esta transferencia de calor al ajustar nuestra ropa a las condiciones ambientales.
Muchos aparatos domésticos se han diseñado, en su totalidad o en parte, aplicando los
principios de la transferencia de calor. Algunos ejemplos incluyen la estufa eléctrica o de gas, el
sistema de calefacción o de acondicionamiento del aire. La transferencia de calor desempeña un
papel importante en el diseño de muchos otros aparatos, como los radiadores de automóviles,
los colectores solares, diversos componentes de las plantas generadoras de energía e, incluso,
las naves espaciales.
Transferencia de calor en la ingeniería
Los problemas de capacidad nominal se ocupan de la determinación de la velocidad de
transferencia de calor para un sistema existente con una diferencia específica de temperatura.
Los problemas de dimensionamiento se ocupan de la determinación del tamaño de un sistema
con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de la
temperatura. Un proceso o un equipo de transferencia de calor pueden ser analizada de forma
experimental o de forma analítica. El procedimiento experimental tiene la ventaja de tratar con el
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19. sistema físico real y, gracias a ello, la cantidad deseada se determina mediante medición, dentro
de los límites del error experimental. El procedimiento analítico tiene la ventaja de que es rápido
y barato, pero los resultados obtenidos dependen de la exactitud de las hipótesis e
idealizaciones establecidas en el análisis. En los estudios de transferencia de calor a menudo se
logra una buena aproximación reduciendo, mediante el análisis, las opciones a solo unas
cuantas y, a continuación, verificando los hallazgos experimentalmente.
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20. Bibliografía
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