TEMA Nº 07 CALOR FISICA DE LA MASA Y LA ENERGIA

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Henry Armando Maco Santamaria.
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CALOR
FÍSICA DE LA MASA Y LA ENERGÍA

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Objetivos
 Interpretar el significado de calor, y cómo difiere del
significado de la temperatura.
 Efectuar cálculos que incluyan flujo de calor, cambios de
temperatura y cambios de fase.

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• El Calor. Cantidad de Calor.
• Capacidad Calorífica.
• Calor específico.
• Calor Latente.
• El Equivalente Mecánico del Calor.
• Cambios de fase.
Contenidos
https://www.youtube.com/watch?v=lzmRAPcw3t4

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• El calor, (símbolo Q), se define como la energía cinética total de todos los átomos
o moléculas de una sustancia. El concepto de calor, se usa para describir la
energía que se transfiere de un lugar a otro, es decir flujo de calor es una
transferencia de energía que se produce únicamente como consecuencia de las
diferencias de temperatura.
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CALOR
Se define una unidad de medida del calor, llamada caloría, símbolo cal, como la cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en un grado Celsius desde 14.5º C a 15.5º
C
CALORÍA
La unidad de energía en el sistema estadounidense es la unidad térmica británica (Btu), que es la
cantidad de transferencia de energía que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb de agua de
63°F a 64°F.

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El joule ya se definió como una unidad de energía respecto a los procesos mecánicos. Los científicos
cada vez mas se alejan de la caloría y el Btu y usan el joule cuando describen procesos térmicos.
EL EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Figura: Experimento de Joule
para determinar el equivalente mecánico
del calor. Los bloques que
caen hacen girar la rueda de paletas, lo
que a su vez causa el aumento de
temperatura del agua.
Joule encontró que la perdida en energía mecánica es
proporcional al producto de la masa del agua y el aumento en la
temperatura del agua.
La constante de proporcionalidad que encontró era de
aproximadamente 4.18J/g°C.
Por lo tanto, 4.18 J de energía mecánica elevan la temperatura de
1 g de agua en 1°C.
Mediciones mas precisas tomadas mas tarde demostraron que la
proporcionalidad era de 4.186 J/g°C cuando la temperatura del
agua se elevaba de 14.5°C a 15.5°C.

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CALOR ESPECÍFICO y CALORIMETRÍA
La capacidad térmica C de una muestra particular se define como la cantidad de energía necesaria
para elevar la temperatura de una muestra en 1°C.
A partir de esta definición, se ve que, si la energía Q produce un cambio ΔT en la temperatura de
una muestra, en tal caso:
CAPACIDAD TÉRMICA (C)
El calor específico c de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa. Por lo
tanto, si a una muestra de una sustancia con masa m se le transfiere energía Q y la temperatura de
la muestra cambia en ΔT, el calor especifico de la sustancia es:
Calor específico
(1)
(2)

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La energía Q transferida entre una muestra de masa m de un material y sus alrededores con un
cambio de temperatura ΔT como:
(3)

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CALORIMETRÍA
Calorimetría significa “medición de calor”.
La conservación de energía permite escribir la representación matemática de este enunciado
energético como
Si: mx es la masa de una muestra de alguna sustancia cuyo calor especifico quiere determinar. Sean
cx su calor especifico y Tx su temperatura inicial.
Sean mw, xw y Tw los valores correspondientes para el agua.
Si Tf es la temperatura de equilibrio final después de mezclar todo, la ecuación (3) muestra que la
transferencia de energía para el agua es mwcw(Tf - Tw), que es positivo porque Tf>Tw, y que la
transferencia de energía para la muestra de calor especifico desconocido es mxcx(Tf - Tx), que es
negativa. Al sustituir estas expresiones en la ecuación (4) se obtiene:
(4)
(5)

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CALOR LATENTE
Al cambio de las características físicas de una sustancia de una forma a otra, se le conoce
comúnmente como cambio de fase.
Dos cambios de fase comunes son de solido a liquido (fusión) y de liquido a gas (ebullición); otro es
un cambio en la estructura cristalina de un solido.
Todos esos cambios de fase incluyen un cambio en la energía interna del sistema pero no un cambio
en su temperatura.
Si se requiere transferir una cantidad Q de energía para cambiar la fase de una masa m de una
sustancia, el calor latente de la sustancia se define como:
El valor de L para una sustancia depende de la naturaleza del cambio de fase,
así como de las propiedades de la sustancia.
(6)

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La energía requerida para cambiar la fase de una masa dada m de una sustancia pura es:
(7)
Calor latente
Calor latente de fusión Lf es el termino que se aplica cuando el cambio de fase es de solido a
liquido.
Calor latente de vaporización Lv es el termino que se usa cuando el cambio de fase es de liquido a
gas.
El signo positivo en la ecuación (7) se usa cuando la energía entra al sistema, lo que causa fusión o
vaporización. El signo negativo corresponde a energía que sale de un sistema, de modo que el
sistema se congela o condensa.

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EQUIVALENCIAS
La caloría no es una unidad fundamental del SI.
El Comité Internacional de Pesos y Medidas recomienda
usar el joule como unidad básica de energía en todas sus
formas, incluido el calor.

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Un trozo de metal de 50 g que se encuentra a 200º C se sumerge en un envase que contiene 0.4 kg
de agua inicialmente a 20º C. Si la temperatura final de equilibrio del sistema mezclado es 22.4º C,
calcular:
a) El calor específico del material,
b) El calor ganado por el agua.
Despreciar la transferencia de calor al envase y al medio ambiente.
QG = - QP
Ce(H2O) = 4186 J/kgºC
Ce(H2O) = 1 cal/gºC
PROBLEMA Nº 01.
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Una bala de plomo de 2 g de masa disparada con una rapidez de 300 m/s, se incrusta en un poste
de madera. Suponiendo que toda la energía térmica generada durante el impacto permanece en la
bala, calcular su cambio de temperatura.
Ce(Pb) = 128 J/kgºC
Ce(Pb) = 0.0305 cal/gºC
PROBLEMA Nº 02.
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Calcular la cantidad de calor necesario para transformar un gramo de hielo a -30º C en vapor de
agua hasta 120º C.
QG = - QP
Ce(HIELO) = 2090 J/kgºC
Ce(VAPOR) = 2010 J/kgºC
LF(HIELO) = 3,33x105 J/kg
LV(H2O) = 2,26x106 J/kg
Ce(HIELO) = 0,50 cal/gºC
Ce(VAPOR) = 0,48 cal/gºC
LF(HIELO) = 80 cal/g
LV(H2O) = 540 cal/g
PROBLEMA Nº 03.
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Calcular la cantidad de vapor de agua inicialmente a 130º C, que se requiere para calentar 200g de
agua en un envase de vidrio de 100 g, desde 20º C hasta 50º C.
QG = - QP
LV(H2O) = 2,26x106 J/kg
LV(H2O) = 540 cal/g
Ce(VIDRIO) = 837 J/kgºC
Ce(VIDRIO) = 0,20 cal/gºC
PROBLEMA Nº 04.
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Un lingote de 0.050 kg de metal se calienta a 200.0°C y después se deja caer en un calorímetro que
contiene 0.400 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.
QG = - QP
PROBLEMA Nº 05.
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Considere el aparato de Joule descrito en la figura. Las dos masas son de 1.50 kg cada una el
tanque se llena con agua con 200 g de agua. ¿Cuál es el aumento de temperatura del agua después
que las masas descienden una distancia de 3m?
CeH2O = 4186 J/kgºC
QG = - QP
PROBLEMA Nº 06.
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El tanque de agua caliente del sótano de una casa ha estado a 18 ºC durante varios días mientras
se efectuaron reparaciones en una tubería rota de gas natural que se usa como combustible. Si el
tanque puede almacenar 160 litros y el gas natural tiene un calor de combustión de 8899 Kcal/m3.
¿Cuánto gas se necesita para calentar el agua hasta 63 ºC? Suponga que todo calor del gas se
utiliza para calentar el agua que no hay pérdida de energía.
PROBLEMA Nº 07.
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QG = - QP
Se agrega vapor a 100 ºC a un trozo de 50 g de hielo que está a -10 ºC. Calcule cuanto vapor se
necesita para sólo fundir el hielo.
LV(H2O) = 2,26x106 J/kg
LV(H2O) = 540 cal/g
PROBLEMA Nº 08.
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En un recipiente aislado 250 g de hielo a 0°C se agregan a 600 g de agua a 18.0°C.
a) ¿Cual es la temperatura final del sistema?
b) ¿Cuanto hielo permanece cuando el sistema alcanza el equilibrio?
QG = - QP
PROBLEMA Nº 09.
LV(H2O) = 2,26x106 J/kg
LV(H2O) = 540 cal/g
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Un calorímetro de cobre de 0.100 kg contiene 0.160 kg de agua y 0.0180 kg de hielo en equilibrio
térmico a presión atmosférica. Si 0.750 kg de plomo a 255 °C se dejan caer en el calorímetro, ¿qué
temperatura final se alcanza? Suponga que no se pierde calor al entorno.
QG = - QP
PROBLEMA Nº 10.
LV(H2O) = 2,26x106 J/kg
LV(H2O) = 540 cal/g
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• El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema, que resulta de una diferencia
de temperatura entre el sistema y sus alrededores.
• El símbolo Q representa la cantidad de energía transferida por este proceso.
Conclusiones.
• Una caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de
14.5°C a 15.5°C.
El calor específico c de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa:
El calor latente de una sustancia se define como la relación de la energía necesaria para
causar un cambio de fase a la masa de la sustancia:
• La capacidad térmica C de cualquier muestra es la cantidad de energía necesaria para
elevar la temperatura de la muestra en 1°C.

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• Sears F, Zemansky M, Freedman R. Física Universitaria. Volumen I. 2009.México:
Pearson Education.
• Serway R. Física. Tomo I. México.1997. Mc Graw Hill.
Referencias bibliográficas.

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