Calor, calor especifico y calorimetria

1. FÍSICA 2
CALOR, CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR
ESPECIFICO, CAMBIO DE ESTADO: CALOR
LATENTE DE FUSIÓN Y VAPORIZACIÓN,
CALORIMETRÍA.

2. Departamento de Ciencias
CALOR
Cantidad de Calor y cambio de Fase

3. ¿POR QUÉ EL HIELO SE FUNDE?

4. ALGUNAS PREGUNTAS
• ¿Qué entiende por calor?
• ¿Cómo define el calor especifico?
• ¿La absorción o liberación de energía en forma de calor siempre causa un cambio de
temperatura?

5. LOGROS
Al finalizar la sesión, el estudiante resuelve problemas prácticos de cantidad de calor con y sin
cambios de fase de una sustancia, considerando los conceptos de calor y calor latente de
fusión y evaporación; de forma correcta.

6. CALOR
• Fenómeno por el cual la energía interna fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro de
menor temperatura.
• La unidad en el SI: joule.
• 1 caloría (cal). Es la cantidad de energía que es necesaria transferir para aumentar la
temperatura de 1 g de agua de 14,5°C a 15,5°C.
• 1 Btu = 252 cal = 1055 J

7. EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
4.186 J (1 cal) de energía
mecánica elevaban la
temperatura de 1 g de agua de
14,5ºC a 15,5ºC.
Éste valor se conoce como el
equivalente mecánico del calor.
𝟏 𝐜𝐚𝐥 = 𝟒, 𝟏𝟖𝟔 𝐉

8. • Un estudiante ingiere alimentos calificados en 2 000 KiloCalorías. El quiere hacer una cantidad
equivalente de trabajo en el gimnasio y levanta una barra de 50,0 kg. ¿Cuantas veces debe
levantar la barra para gastar toda esta energía? Suponga que el levanta la barra 2,00 m cada vez
que la eleva y no vuelve a ganar energía cuando baja la barra.
• Toda la energía se disipará en forma de trabajo mecánico; por tanto
∆𝑈 = 2 000 𝑘𝐶𝑎𝑙 = 2 000 𝑥 103
𝑐𝑎𝑙 = 2 𝑥 106
𝑐𝑎𝑙
4,186 𝐽
1 𝑐𝑎𝑙
= 8,37 𝑥106
𝐽
∆𝑈 = 𝑛𝑊
∆𝑈 = 𝑛 𝑚𝑔ℎ
𝑛 =
∆𝑈
𝑚𝑔ℎ
=
8,37 𝑥106
𝐽
(50,0𝑘𝑔)(9,81
𝑚
𝑠2)(2,0 𝑚)
𝑛 = 8532 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠
EJEMPLO N°1

9. CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO
• La capacidad calorífica, C, de una muestra
particular de una sustancia se define como la
cantidad de calor necesario para elevar la
temperatura de esa muestra en un grado
centígrado.
𝐶 =
𝑄
∆𝑇

10. • El calor específico 𝑐 𝑒 de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.
CALOR ESPECÍFICO (𝑪 𝒆)
Tm
Q
m
C
ce



11. TABLA N° 1: CALORES ESPECÍFICOS DE SUSTANCIAS

12. EJEMPLO N°2
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,40 𝑘𝑔
𝑚 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 0, 050 𝑘𝑔
𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4186
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°
𝐶𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 =?
𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 = 20,0°𝐶
𝑇 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 200,0°𝐶
𝑇𝑒 = 22,40 °𝐶
• Un lingote de 0,050 kg de metal se calienta a 200,0°C y después se deja caer en un calorímetro
que contiene 0,40 kg de agua inicialmente a 20,0°C. La temperatura de equilibrio final del
sistema mezclado es 22,4°C. Encuentre el calor especifico del metal.

13. CONTINUACIÓN…
𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 − 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 = −𝑚 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑇𝑒 − 𝑇 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
𝐶𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = −
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 − 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑇𝑒 − 𝑇 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
𝐶𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = −
0,4 𝑘𝑔 (4186
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°
) 22,4°𝐶 − 20,0°𝐶
(0,05𝑘𝑔) 22,4°𝐶 − 200,0°𝐶
𝐶𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 452,5
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°

14. EJEMPLO N° 3
• Se calienta una muestra de 150, 00 g de plomo hasta la temperatura de ebullición del agua (100°C). Luego
se añade una muestra de 50,0 g de agua a un vaso que está térmicamente aislado y se mide su temperatura,
resultando ser 22,00 °C. Se echa el plomo caliente en el agua fría, la temperatura de la mezcla plomo-agua
es 28,8 . Calcule el calor especifico y capacidad calorífica del plomo.

15. 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0, 050 𝑘𝑔
𝑚 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 = 0, 150 𝑘𝑔
𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4186
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°
𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 =?
𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 = 22,0°𝐶
𝑇𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 = 100,0°𝐶
𝑇𝑒 = 28,80 °𝐶
CONTINUACIÓN…
𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 − 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 = −𝑚 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 𝑇𝑒 − 𝑇𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜
𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 = −
𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 − 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 𝑇𝑒 − 𝑇𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜
𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 = −
0,050 𝑘𝑔 (4186
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°
) 28,8°𝐶 − 22,0°𝐶
(0,150𝑘𝑔) 28,8°𝐶 − 100,0°𝐶
𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜 = 133,26
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶°

16. CALORIMETRÍA Y CAMBIOS DE FASE
El calor requerido para fundir una sustancia por unidad
de masa se llama calor de fusión (o calor latente de
fusión) denotado por L f .
•En términos generales, para fundir una masa m de
material con calor de fusión L f se requiere una cantidad
de calor Q dada por
•Este proceso es reversible por lo que dicha magnitud
puede ser positiva o negativa.
•Análogamente, el calor requerido para evaporar una
sustancia por unidad de masa se denomina calor de
vaporización (o calor latente de vaporización).
fmLQ 
fmLQ 
100
0
-25
Fase
gaseosa
Punto de ebullición
Fase líquida
Fase sólida
Punto de fusión
T (°C)
tiempo
Transferencia de calor en un cambio de
fase del agua
Calor de
fusión
Calor de
vaporización

17. CAMBIOS DE FASE
La fase describe un estado específico de la materia
Lf = 3,34 105 J/kg
Lf = 79,6 cal/g
Lv = 2,256 106 J/kg
Lv = 539 cal/g
Fase sólida Fase líquida Fase gaseosa
Q solidifación Q vaporización
Agua :

18. Sustancia Punto de fusión
(°C)
Calor latente de
fusión (J/kg)
Punto de
ebullición
Calor Latente de
vaporización
Helio
Nitrógeno
Oxígeno
Alcohol etílico
Agua
Azufre
Plomo
Aluminio
Plata
Oro
Cobre
-269.65
-209.97
-218.79
-114
0.00
119
327.3
660
960.80
1063.00
1083
5.23x105
2.55x104
1.38x104
1.04x105
3.33x105
3.81x104
2.45x104
3.97x105
8.82x104
6.44x104
1.34x105
-268.93
-195.81
-182.97
78
100.00
444.60
1750
2450
2193
2660
1187
2.09x104
2.01x105
2.13x105
8.54x105
2.26x106
3.26x105
8.70x105
1.14x107
2.33x106
1.58x106
5.06x106
TABLA N°2. CALORES LATENTES Y PUNTOS

19. -20
0
25
hielo
líquido
estado
final
𝑄1
𝑄2
𝑄3
𝑄1 = 𝑚 𝑥 2090 0 − −20
𝑄2 = 𝑚 𝑥 3,34 𝑥105
𝑄3 = (0,25)(4186)(−25)
𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
T(°C)
PROBLEMA N°4
•Con cambio de fase
Se desea enfriar 0,250 kg de agua pura, que está
a 25,0 °C, agregándole hielo que está a -20,0
°C . ¿Cuánto hielo debe agregar para que la
temperatura final sea 0°C con todo el hielo
derretido, si puede despreciarse la capacidad
calorífica del recipiente?

20. CONTINUACIÓN…
𝑄1 + 𝑄2 = 𝑄3
𝑚 𝑥 2090 0 − −20 +𝑚 𝑥 3,34 𝑥105
= −(0,250)(4186)(0 − 25)
𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
-20
0
25
hielo
líquido
estado
final
𝑄1
𝑄2
𝑄3
T(°C)
𝑚 𝑥 2090 20 + 3,34𝑥105
= (0,250)(4186)(25)
𝑚 𝑥 = 0,0696 kg = 69,6 g

21. PROBLEMA N°5
•¿Qué rapidez inicial debe de tener una bala de
plomo a 25,0 °C para que el calor desarrollado
cuando se detiene sea apenas suficiente para
derretirla? suponga que toda la energía mecánica
inicial de la bala se convierte en calor y que no
fluye calor de la bala a su entorno (un rifle
ordinario tiene una rapidez de salida mayor que la
rapidez del sonido del aire, que es 347 m/s a 25,0
°C). LPb= 24 500 J/kg. (Tf=328°C)
𝐸 𝑘 → 𝑊 → 𝑄
𝐸 𝑘 = 𝑄
1
2
𝑚𝑣2 = 𝑄1 + 𝑄2
1
2
𝑚𝑣2
= 𝑚𝐶𝑒∆𝑇 + 𝑚𝐿 𝑓
𝑣 = 2𝐶𝑒 𝑇2 − 𝑇1 + 2𝐿 𝑓
𝑣 = 2 128 328 − 25 + 2(24 500)
𝑣 = 355,8 𝑚/𝑠

22. AUTO-REFLEXIÓN:
• ¿Qué cosas nuevas o diferentes pude aportar a la sesión de hoy?
• ¿Cómo aprendí esta sesión?
• ¿Qué otros recursos se pueden incrementar mejorar mi aprendizaje?

23. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 R. Serway, J. Jewett. Física para Ciencias e Ingeniería. 7° edición. Ed.Cengage
Learning. Pág. 532-536.
 J. Wilson, A. Buffa. Física. 6° edición. Ed. Pearson Educación. Pág. 338-349.
 Sears Zemansky. Física Universitaria. 12° edición. Pearson Educación. Pág. 570-
576.

24. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 530 TIPL/F 2012 Tipler, Paul Allen. Física para la ciencia y la Tecnología.
 R. Serway, J. Jewett. Física para Ciencias e Ingeniería. 7° edición.
Ed.Cengage Learning. Pág. 419-426.