Presentación del tema 12

1. TEMA 12.-

2. INTERCAMBIO DE CALOR COMO FORMA
DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy
variados pero el modo en que los sistemas intercambian energía
sólo se produce de dos formas: mediante el CALOR y el TRABAJO.
El intercambio térmico se produce entre dos cuerpos que se
encuentran a diferente TEMPERATURA existiendo una transferencia
de energía desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor.
Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio
térmico.

3. INTERCAMBIO DE CALOR COMO FORMA
DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
TA, inicial > TB, inicial TA, final = TB, final

4. INTERCAMBIO DE CALOR COMO FORMA
DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los
cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su
movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en
las máquinas: un coche, una grúa o una lavadora.
El calor y el trabajo, al ser formas de transferencia de energía, se
miden en las mismas unidades que la energía: en julios (J) o en
kilojulios (kJ).
En el caso del calor también se utilizan las calorías (1 caloría = 4,18
J).

5. EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA
DE ENERGÍA TÉRMICA
Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el
que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor,
hasta que se igualan las temperaturas. Se dice que se ha alcanzado
el equilibrio térmico.
El aporte o pérdida de calor de un cuerpo produce cambios en su
energía interna y, por tanto, de su temperatura. Este aumento o
disminución de la energía térmica, produce cambios de estado,
dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etcétera.

6. EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA
DE ENERGÍA TÉRMICA
La dilatación y contracción de los cuerpos se producen porque, al
aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan
más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también
los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un
aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos
una disminución (contracción).

7. CALOR, TEMPERATURA Y
EQUILIBRIO TÉRMICO
El calor es energía en movimiento, es decir, energía térmica transferida
desde un cuerpo que está a mayor temperatura a otro que está a menor
temperatura.
La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía
térmica que tiene un cuerpo o sistema.
Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en
movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las
partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de
todas sus partículas.

8. CALOR, TEMPERATURA Y
EQUILIBRIO TÉRMICO
La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el grado Kelvin
(K) de la escala absoluta.
La escala que se utiliza normalmente es la escala centígrada o escala
Celsius, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC).
En esta escala existen dos temperaturas de referencia: 0 ºC,
correspondiente a la temperatura de fusión del hielo, y 100 ºC,
temperatura de ebullición del agua.

9. DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y
TEMPERATURA. LOS TERMÓMETROS
CALOR
Tránsito de energía entre dos
sistemas en desequilibrio térmico.
El cuerpo de mayor temperatura
cede energía al cuerpo con la
temperatura más baja.
TEMPERATURA
Expresa el estado de agitación
molecular de un cuerpo y se mide
en kelvin, o en grados centígrados.

10. DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y
TEMPERATURA. LOS TERMÓMETROS
ESCALA CENTÍGRADA
Toma como puntos de referencia
las temperaturas de fusión y de
ebullición del agua a una
atmósfera de presión. Se les
asignan valores de 0 y 100 oC,
respectivamente.
ESCALA FAHRENHEIT
Hace corresponder los mismos
puntos con 32 oF y 212 oF. La
escala se divide en 180 partes
iguales.
ESCALA KELVIN
No es una escala arbitraria. Su
cero se sitúa en el punto de la
temperatura mínima posible,
donde los átomos y las moléculas
estarían en reposo. Este punto se
corresponde aproximadamente
con -273 oC. La unidad de
temperatura en el Sistema
Internacional es el kelvin (K).

11. CALOR ESPECÍFICO
No todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, la
misma cantidad de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del
tipo de partícula que la compone y de cómo se encuentran unidas.
Así, para elevar un 1 kelvin la temperatura de un kilogramo de hierro, se
necesitan 458 J, mientras que 1 kg de alcohol requiere de 2450 J. En base
a esta propiedad característica de cada sustancia, definimos el calor
específico (ce).

12. CALOR ESPECÍFICO
Se define el calor específico de una sustancia como la cantidad de energía
(Q) que hay que proporcionar a 1 kg de ésta para elevar su temperatura 1
kelvin. Se expresa de la siguiente manera:
𝐶𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 = 𝐶𝑒 =
𝑄
𝑚 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 · ∆𝑇

13. CALOR ESPECÍFICO
Siendo la variación de temperatura (DT), la temperatura final (o de
equilibrio) de la sustancia menos la inicial:
El calor específico se mide en J/kg·K.
∆𝑇 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

14. CALOR ESPECÍFICO
SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO
Agua (líquida) 4180 Cobre 385
Hielo (agua sólida) 2090 Mercurio 138
Vapor de agua 2090 Plata 234
Alcohol 2450 Plomo 130
Aluminio 899 Oro 130
Hierro 452 --- ---

15. CALOR ESPECÍFICO
La energía (Q) necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo
calor específico es ce, desde una temperatura inicial hasta una temperatura
final, viene dada por la siguiente expresión:
𝑄 = 𝑚 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 · 𝐶𝑒 · (𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)

16. CALOR ESPECÍFICO
Si Tfinal > Tinicial entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que
está a menor temperatura y ésta se eleva.
Si Tfinal < Tinicial entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está
a mayor temperatura y ésta se reduce.

17. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, éste
comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo
permanece constante.

18. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
Mientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes
cantidades de energía a la sustancia sin que varíe la temperatura.
Se define CALOR LATENTE DE FUSIÓN, Lfusión, a la energía necesaria para
cambiar 1 kg de una sustancia de estado sólido a estado líquido, o
viceversa, permaneciendo la temperatura constante.
Se define CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN, Lvaporización, a la energía
necesaria para cambiar 1 kg de una sustancia de estado líquido a estado
gaseoso, o viceversa, permaneciendo la temperatura constante.
Los calores latentes se expresan en kJ/kg.

19. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
SUSTANCIA Lfusión Lvaporización
Agua 334,4 2257
Etanol 109 840
Mercurio 11,3 296
Plomo 24,7 858
Cinc 102 1768

20. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
La energía térmica o calor (Q) asociado al cambio de estado no depende
de la temperatura y viene dada por la siguiente expresión:
𝑄 = 𝑚 · 𝐿 𝑓/𝑣

21. PROPAGACIÓN DEL CALOR
POR CONDUCCIÓN. Se produce preferentemente cuando la energía se transmite a
través de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla
metálica, las partículas se agitan más y transmiten esas vibraciones a las partículas
que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo.
POR CONVECCIÓN. Se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas
se mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor
densidad asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas más frías.
Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan,
son las CORRIENTES DE CONVECCIÓN, importantes para explicar los fenómenos
atmosféricos, como calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes
marinas, cómo se calienta en la cocina el líquido de un recipiente, etcétera.

22. PROPAGACIÓN DEL CALOR
POR RADIACIÓN. La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho
de tener temperatura, y es mayor cuanta más temperatura tiene el cuerpo. El calor
se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de televisión, las microondas,
etcétera. Se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con
el calor que irradian las estrellas.