Departamento de Ciencias

S14: CALORCantidad de Calor y cambio de Fase

¿Por qué se derrite el hielo?

¿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?

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.

LOGRO DE SESIÓN

CALOR

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

Fenómeno por el cual la energía interna fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro de menor temperatura.

CALOR

BEBIDA TEMPERADA O HELADA

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. 𝟏𝐜𝐚𝐥=𝟒,𝟏𝟖𝟔 𝐉

EJEMPLO N°1 Un estudiante ingiere alimentos calificados en 2 000 Calorías. 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. ∆𝑈=2000𝐶𝑎𝑙=2000 𝑥103 𝑐𝑎𝑙=2 𝑥106 𝑐𝑎𝑙 (4,186 𝐽1 𝑐𝑎𝑙 )=8,37 𝑥106 𝐽

Toda la energía se disipará en forma de trabajo mecánico; por tanto

CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICOLa 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

El calor específico de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.

El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.

CALOR ESPECÍFICO

Siendo: n el número de moles

CALOR ESPECÍFICO MOLAR Tm

QmCce

TABLA N°1

EJEMPLO N°2Un 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.SOLUCIÓN:

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎=0,40 𝑘𝑔

𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙=0,050 𝑘𝑔

𝐶𝑒𝑎𝑔𝑢𝑎=4186𝐽

𝑘𝑔.𝐶°

𝐶𝑒𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙=?

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎=20,0°𝐶

𝑇𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙=200,0°𝐶

𝑇 𝑒=22,40°𝐶

EJEMPLO N°2

SOLUCIÓN:

EJEMPLO N°3Se 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.

EJEMPLO N°3SOLUCIÓN:

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎=0,050𝑘𝑔

𝑚 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜=0,150𝑘𝑔

𝐶𝑒𝑎𝑔𝑢𝑎=4186𝐽

𝑘𝑔.𝐶°

𝐶𝑒 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜=?

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎=22,0°𝐶

𝑇 𝑝𝑙𝑜𝑚𝑜=100,0°𝐶

𝑇 𝑒=28,80°𝐶

EJEMPLO N°3

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)

100

0

-25

Fase gaseosaPunto de ebullición

Fase líquida

Fase sólidaPunto de fusión

T (°C)

tiempo

Transferencia de calor en un cambio de fase del agua

Calor de

fusión

Calor de vaporizac

ión

fmLQ

fmLQ

CAMBIOS DE FASE

La fase describe un estado específico de la materia

Lf = 3,34 105 J/kgLf = 79,6 cal/g

Lv = 2,256 106 J/kgLv = 539 cal/g

Fase sólida Fase líquida Fase gaseosaQ solidifación Q vaporización

Agua :

ALGUNOS CALORES LATENTES

Sustancia Punto de fusión (°C)

Calor latente de

fusión (J/kg)

Punto de ebullición

Calor Latente de vaporizació

nHelioNitrógenoOxígenoAlcohol etílicoAguaAzufrePlomoAluminioPlataOroCobre

-269.65-209.97-218.79-1140.00119327.3660

960.801063.001083

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

78100.00444.6017502450219326601187

2.09x104

2.01x105

2.13x105

8.54x105

2.26x106

3.26x105

8.70x105

1.14x107

2.33x106

1.58x106

5.06x106

•Con cambio de faseSe 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

0

25

hielo

líquido

estado final

𝑄1

𝑄2

𝑄3

𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜=−𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜

T(°C)

EJEMPLO N°4

CÁLCULO DEL CALOR

+

𝑄 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜=−𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜

-20

0

25

hielo

líquido

estado final

𝑄1

𝑄2

𝑄3

T(°C)

(4186)(25)

𝑚𝑥=0,0696kg=69,6g

•¿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)

EJEMPLO N°5

RESPONDE:

• ¿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?

• 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.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS