NOilTIBRE CUSO:

GUÍA DE CALOR

Consideremos dos s¡slemas A y B, ¡nidalmerüe a diÉrente temperatura, ta¡ que T,r > Tr, al estarlos dos sistemas en @ntado por medio de una par€d @ndüctore del cslor y esperar c¡efo liempo, vemoscómo el s¡lema adquierB una temperdura nnd de equ¡librio. El n¡¡ayo s¡sbm¡ se arH¡aftfir en aqüll¡Drio!érmico,

El silema A, le cede energía el sisteme B, por lo que disn nuye l¡¡ temperatura de A y aumerita lede B, haste elcanzar el equilibrio tém¡co.

L¡A CAÍ{TIDAD DE CALORLa id€e del calor @mo una sustancia se debe descartar. No se trata de elgo qu€ el objeto posea, sino

de ebo que él m¡smo ced6 o ¡bsorbe. El calor es s¡mdernente otre foma de er|€roie que Freda médirseún¡cemente en téÍr$nos dcl efecto qus produce. Siir Jamcs R€scott JodG €stabloc¡ó la equivalGncie €rür€ elC.lor y Tr¡br¡o ilrcft*co

Unidades de calor

E c'/or es una nueya forflra & en€Úgh que en S.l. se mide en ¡oulo, en honor a J. P. Joule y sesimboliza J.

Existen otras unildes de medida de celof' corno por ejemdo:

Calotlót Cadidad de cabr g.re se sumlnistra a 1g de qua, iniciafr¡tente a h '/F''m,É,tahña & 14.5'C, para ebvarsu bm6ratwa has'a 15.5'C.

se tomó un gramo de agua (1 crn] a cierta ternperetura. Se le suñ¡n¡gfó cslor y ss verif¡có qu6 latemperatura huties€ eumenlado en un gredo C€lsius, a osla canlllad d€ calor se le lamó c¡lod¡. S¡n embeEo,d€sprrós se comprobarls que esta erüregc de enepla depende .le le tornperature inad.l del eous, ya gue no sasumin¡lre el m¡smo calor pera el€n er la t€mp€ratura dGl eue d€ O"C I l'C o psra elovado d€ 10"C a 11'C,por lo tento, le unk ad d€ cebr s€ delin¡ó más con€clamonte cdno la ¡ndbada snterfrxment€.

Kilocaloría: Gantldad de calor que se sfm¡nisilna a I kg de agua,elevar la temperatura hasta 15.5"C.

ir$ciafnente a la ternperatura de 14.5, para

La primera relación cuantitativa entre la calorla y las unidades tradicionafes para laenergía mecán¡ca fue esilaUecilla por Joule en 1&13. Joule diseñó el sigulente mecanisfnopara demostrar la equivalencia entre las unidades del calor y las un¡ddes de energía.

En este montaje las pesas af desoender realizan trabaio mecánico al agitar elagua y elevan esí sr¡ ternperatura.

En la aclualktad, el équ¡valer e mecán¡co del calor ye se ha estableciro con un alto graoo oo prcqsronm€d¡ante verles técn¡cas.

1 cal = 4.186 J.1 kcal = ¿1186 J

Lo anterior signmca que son neceserios ¡1,186 J de calor para elevar la tempemtura de un gramo deegua desde los 1¡1.5 a 15.5' C.

Por ejemplo, supongemos que vaciamos 20O g de agua en un vaso y 800 9 de agua en otm vaso,figura 2. Le t€mperetura inidal del egua en cede vaso es d€ 20' C, Se coloca una ñsne t$o cade veso durar oel mismo periodo de t¡€mpo, el de 2009 alcanzs una lemperature de 3(r"C y el otro de n'C:

4.. .lffi_bE*# "'-* L\:rg.¿ q=+¡¡7

INSTITUTO NACIOI¡ALDpto. de Física - 201ICoordinación 3o E. M. hof. M. T. C

Tr¡n3ftr€ncia de calof

Se ha definido el cálor como uns forma de energfe en tránsto. Siempre que existe una diferenda detemperaturas emrs dos cuerpos o er r€ dos porúiones d€ un n¡sno q¡erpo, se dice quc el cslor ft¡ye en unadirBcción do mayor a merior temperEtura. Hay lrcs métodos ft¡ndam€Ítal€s medante lo3 cuales ocunr cste¡ntercamtio de celoc cütürcÍ&r, co',ygf,f,ión y ,a&crótr.

coNDuccóNLa transmisión del calor por corducción, se efectúa mediante colisiones mofecr¡larcsentre moléculas vecinas. Por ejemplo, si se sostiene un e)úremo cle una bana dehieno sobre el fuego, finalmente ef calor alcanzará a tnansrnitirse a la mano por mediodel proceso de conducción. La activiJad molecular incrementada en el exlremocaliente se tnansmite de una molécr¡la a la dra hasta que alcanza la mario. El proesocontinuará en tanto exista una diferencia de temperatu¡a a lo largo de la bana.Probablemente la aplicación más común del principo de conducción es cocinar.

GONVECCIONLa transmisión por convección es el pmceso en el cr¡al el calor se transfiere

mediante el rnovimiento real del fluido. Si se coloca la mano encima del fuego, como semuestra en la ftgura, la transferencia de calor se puede sentir en el aire caliente que sube.Ef calor se transfiere al mo\rerse las masas en lugar de pasar a lo largo del medio materialmediante las mdécr¡las vecinas. Las conientes de corwección son la base del sisilema decalefacción y enfriamiento de fa mayor parte de las casas.

RADIACIONRadiación es el proceso por el cual el calor se transfiefe en forma de ondas

elec*romagnéücas. Cuando se sosiliene la mano oerca del ftrcgo, la fuente primaria decalon es la radiación térmica. L,a radiación ímpfica la emisión o absorción de ondaselectromagnéticas que sq or[inan a nivel atómico. Estas ondas se propagan con larapidez de ta luz (3 ' 10o nt/s) y no hay necesidad de un medio material para que sepropaguen. La fuente de energia radiante rnás importante para el honrbre es el Sol.

Gapacidad térmica o calórica {G)

Fahrenheit demcltró que la m¡sma centüsd d€ calor hece veriar de d¡st¡rüa foma h temperdurade ¡guales masas de egua y mefcufio. De lo que conduyú que ol egus y d menudo ü8fl6n dl¡tlntascepecldades p€re el celor. La retac¡ón erfre la cantidad de celor y ef incr€mento de la lemporatura, roc'ibo elnombr€ cepac¡dad tófmic. y se (hfine @mo la cent¡rlad de calor que se te suministra a un material por unidadde temp€Íatura. Le cepeaidad lófmioa se c€ld¡la (ñlrll¡ondo la cantkted do calor y el cemt¡o dc tcmperatura qucel mslerial tiene. es dccit:

Donde C = capacfttad térmicaAQ = Calor st¡ministnadoAt = variación cle la temperatura

Les unidadss del S.l. pare la capac¡dad témic¡ son ioule/kelvin (J/t9, pero püesto gue la varisción detompefatun en la escala C€lsius es el mismo que en la €scala keMn, temtfén la capac¡dad témica se podráexpreser €n el joule/'Celsius (JfC). Otra unijad do uso fr€cuerfe ss cal/.c.

Nota: La cepacktad tém¡ca también se determim por la car itad dc calor qúe le sr¡stsnds s¡min¡stra al medioy el cambio dé temperatura que üene.

Galorespeclfico (c)

La mesa de un objeto no se incluye an la de6nición de capac¡dad tém¡ca, por lo tento, esla es unaprop¡edad del cuorpo u obieto. A cor inuaciófl definiremos un nu€vo conceÉo llemdo calor especlrbo (c), elcual ss detine como le capac¡dad témice por unkled dG masa.

El cator 3€pecnco de m nF/t€'ral I b úrf*l, ale c'for ,recwlo Fn d¿var un gndo latútp€f'tu¡l ú rma r,'/k,€,dafpr,'as',.

Donde:c = calor específicoAO= Galor suministnadom = masa de la sustanciaAt = variación de la lemperatura

I '

n- LQ

AT

at-aa-ata-a--, t

tLOii c= - ,, .mNiIlot¿-t---- - - - '

o) @rú¡cchn

a-rünfi:;

Conrrslüt

\-ir|u¡r-u J- F- t- rfu- ü- l. L

La unttad del S.l. para d calor específico son JkgK pera este ooncepto también usar€mos cal/g'C.Obsarua que el calor especlfico r€suna de divi.fr le cilecided témica y la masa del matorlsl, es decin

.=9ñ

La cspac¡dad téÍrúca de lmo g dé agua €n egado líquito es 1000 cauqo, al divifr asl6 valor por10009, s€ t¡en6 I c¡fgpc, la capacided lémica de 1 g €s de I cal/qc, al divitir sste valor por I g, so obt¡snoI cailgfc, por lo que se conclr¡ye que el agua en astado lhuido t¡one un calor espedfico de f caloPc. este valorsign¡ñce quc a cade f 0 de egua h3y qu3 sr¡mlnbüade i cal pef3 que s|¡ lernperah¡ra 3e incr€Ír€nls oo 1'C.

La siguiente tabla muestra el valor del calor específico de algunas sustancias

Sustancia

AluminioCobreHienoMercurioPlataEstañoZincVidrioLatónHieloPlomoTungstenoVapor de agua

Galor especíñco

a.2120.0940.1150.0330.0560.0550.09¿l0.1990.0940.5500.ffi10,0320,480

Cal

g"c

S¡ a dó- austañc¡áade masas igrnles se bs suministra igual cantidad de calor, elincremento de la bmoeratura es dibrcnb

Gálculo de la cantidad de calor l¡berado o recibido

Para deteminar et valor del calor cedido o f3dffio por un mderial se despeja AO del celor

esoecffico "

= -N-. a Lo = c.m.N'm¿f

Cuando dos cuerpos aislados que están e diferer o temperetura se ponen en @ntecto, el cuerpoque está a msyor tornpereture le cede cslor al cr€rpo que ostá a menor lanperetur¡, de tal foÍne que sl calor'pefdido' por el cuefpo es igual al calor'oanado' por d oro cuefpo. calor perd¡do = calor gEnado

Para efodos de cátq.rlo, €l celor p€rdftto s€ considera n€getivo y el calor ganado pclthro, por lo tanto laigualdad ent€rlor s€ puede oqresar de la sbu¡€nto fqma:

- Qporcuo = Qg.r"co

Para dos sulanc¡as que sé encuentran a dler€Ítos lgfiperatures, el ponerfas sn cDÍlacio o mézdaflas,se tiene:

- ccp mp Atp = 36 ¡¡16 Atc

La misma cániidad d€ on€rgla térm¡ce sumin¡strada no prod.loo ol rnFfiro aümenio de temperatura entodos los mdsrlales. Por ola rezón, dedmoc qu€ la tempcratura es ung cantidad fundamor al. Su m€didón €sneces¡ria pare determ¡nar b cenffi¿d de celor perdito o gando durarite un procoso.

Aplicaciones

1) Heller l€ cepeddad fórÍxta d6 un cuerpo que céd€ 1080 cel, cuando $, t€tnpérdura beje do ¡18'C a16"C.

2, Un cu€rpo de cadmio de 3 g está a 18" C. S¡ se te suministra al c€dmlo una cantidad de €nergfe calóricaigusl a 350 cel,¿crrál será sr! temperetura final? (ccd- 0,055ceugoc)

3) ¿Qué centklad de energía c¿lóric€ s€ requier€ para el€var la lemperature de 160 g ds slumin¡o d€sde 0" Ca 80' C?. Oblenos el vdor en S. l.

1) Un líquido absorb€ 6m cal y su temperetura se eleve a 70' C. ¿Cuál es su temp€ratura inicial, s¡ sucapac¡dad tármioa es de 12 ca!r"C?

5) ¿Qué variac¡ón de temperetura experimerita un cuerpo de capacfttd calórica 5¡l celfc, o¡endo absorbe1000 cal? :

6) Una lámina de plomo de 520 g se calienta pasando su temperatura dede calor se le debió suministnar?

16,5"C a 38,3"C. ¿Qué cantidad

n Un vidrio de 120 g eumerüó su temp€ratum en 0,6"C ¿qué canüdad d€ calor aboilSó del emt¡énte(20'c)?

E) Se dispara una bala de ptorno de 8¡l g y ebGorbe 380 cel por el rozemiento con un bloque de maderadonde se ¡ncn¡le. ¿En cuánlo aumeñtó la tomp€rature do la bda?

9) Un p€dazo de plomo de 250 g s€ calierüa a 11!C y se echa en 500 g de ague ¡nicialneÍte a l8"Cd€spr€c¡endo la cspecidad celórica dcl ,Gdftonte. ¿O¡ál €s t¡ tempcretuf3 ñnel del plüno y egr¡e?

10) Un redftente de alum¡nio de {450 g de masa cor lenc 120 g d€ agua a ta t€mperatura d€ 16'C. Se dejaca€r denlro del rec¡p¡onte un Hoque de h¡eno ate ?'¿Og a te temperatura de 8¿t'C. Calculer ta tempersturallnal del sistema.

1 1) En un r€cipiente de h¡eío de ¡10 g que contiene lEO g de egua I l5'C se agfegan 70 g de perdigones dehierro a 110"C. Haller ls temperatura r€suttafité.

12) Un bloqug de ldón de 2 kg de masa se eflcuentra e 100"C, se deja c€er en 5 kg ds agua que s6enqFntre a 1,67'C; la lempcrature que elcanzs el s¡si€rn8 formado por el letén y €l ili¡e (bmporatura doequilibrio) es s.ll"C. Hellsr €l celor especílico def fatón.

13) ¿Qué variación do lemperstura tiene üXl g de egua quc caen desdc una altura de 6 m, si suponemosquo con el impaclo loda la enetgíe sa conyiefte en cebÉ

14) Una bala d€ plomo de ¡tog d6 mesa, posee una energía c¡naice de E,¡t joule. Si al chocar conlra unblanco queda inmcd¡damante en f€poso, ¿a¡ál seÉ el ¡ncremefito de la tomperetura dé la bela si nohubiese intefcamtlo de calor con el amt¡ent€?

15) Un objáo A, se enct¡entre e una temporsturE aÍtbieÍte de 15 t, el aral sc cofoca sl ir erlor de otroobieto el cual tiené una tenrperetura de 85 óC. Al cabo de un cierto tiempo, amto6 alcanzarán 6l equilibriotém¡co. ¿De qué fector€s depende le température de equif,brio?

16) El celor especlñoo de un m€tet €s do 23,4 JrlC.K. Fror€se esls co€fidsfite en ¡r*ddos de calb.co

14 Un trozo de m€tal de 0,05 kg se cel¡enta a 2(n.C y desgrés se coloca en un recipierite porfedem€r ea¡slado que @nliene ¡foo gr. de agua in¡c¡alncnte a una temperatura d6 2D cC. S¡ le lernperalura finel doequ¡librio de la m€zda es de 22,¡[ oC, d€temimr

a) El calor abcorbllo por el agua en tém¡nos de cabríasb) El cabr Gspeclfico del m€tat.c) La capecued calóflca det eguad) La capactl¿d calórbe dd metal.

18) ¿Cuánia masa de alumin¡o exp€fimentaran el mismo aumento de temperdura de 3 kg de de cobre, si aambos matoriales s€ le $xnlnilran la misme cantkted de calo?

19) Si el calor espec¡fc¡ del scero es de 0,1'l caug.cc, ¿qué canüdad de calor se rEquierc pera 6b\rer latemperetura d€ 0,2 k0 de GSe mater¡¡el desde 106 -10 t hda to6 5() .C?

20) ¿Cuál es el cdor espec¡fico de un cuerpo de 0,¡l tg s¡ para elevar su temperatura d6 los 20 oC a los 25 oCse necositan 80 caloflas?

21) Calcular la c¿ntided de calor que se debe suminilrar I Zn g de elum¡nio. cx= O,i 1 cal/g.cc pare elorrar sutemDeratun:

a) De 10 oC e ¡|{, .Cb) tle -70 cC a {0 oC

22) Se suministran 0,5 kcel pera veriar le temperetura de un prisme de oro de 30 g. Si el calor espeoífico detorc es de 0,031 ceto .C, determins:

s) La cepacidad térmica del prismab) La varisdón de lemperalura que experimenta el prisme.