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El calor específico

Presentación diseñada como complemento a las lecturas dlos temas de calor específico y procesos termodinámicos, presentadas en la plataforma educativa del Colegio de Bachilleres del Estado de Sinaloa, dentro de la asignatura de Física II.
by

Emiliano Elenes C.

on 10 May 2016

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Transcript of El calor específico

El calor específico
Capacidad calorífica
Calor específico
Equilibrio térmico
Procesos Termodinámicos
Momento II Bloque II
Si enciendes la estufa a 100 °C y colocas dos cacerolas, una con agua y otra con miel, y al transcurrir un minuto le mides la temperatura, ¿cómo crees que será esta? ¿Igual o diferente? ¿Por qué?
Calor específico
Capacidad calorífica
La respuesta a estas interrogantes se basa en una propiedad de la energía calorífica, llamada
capacidad calorífica
"Es la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo" (Tippens, 2001)
Capacidad calorífica
Cada material tiene una capacidad diferente para absorber calor, es por ello que pudiera presentarse que dos cuerpos de diferente material, tarden tiempos diferentes para llegar a una temperatura fijada
Unidades de energía calorífica
La unidad para medir la energía calorífica, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el Joule (J)
Joule = Newton - metro
J=Nm
En el sistema Centímetro - Gramo - Segundo (CGS) es el Ergio.
Ergio = Dina - centímetro
erg=dyn-cm
Unidades de energía calorífica
Otras unidades, más antiguas, pero que todavía se utilizan son:
Caloría (cal): es la unidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C.
BTU (British Thermal Unit): es la cantidad de calor aplicado a una libra de agua para que eleve su temperatura 1 °F.
Equivalencia entre las unidades de energía calorífica
1 Joule = 0.24 cal

1 caloría = 4.2 J

1 kilocaloría (kcal) = 1000 cal

1 BTU = 252 cal = 0.252 kcal
Deducción:
"Mientras más alto sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, requiere mayor cantidad de calor para elevar su temperatura." (Pérez Montiel, 2000)
Tomando en cuenta que la capacidad calorífica de una sustancia es la relación entre la cantidad de calor aplicado y la variación de la temperatura, ¿qué pasa si calentamos dos esferas de cobre con diferente masa: una de 2 kg y otra de 5 kg?
¿Alcanzarán la misma temperatura al mismo tiempo?

¿Por qué?

¿Qué cambia si ambas no son del mismo material?
Preguntas:
Preguntas
Si queremos hervir agua, colocamos en la estufa una taza de metal con agua y en otro quemador una olla más grande, pero del mismo material y llena de agua:

¿El agua de qué recipiente hervirá primero si ambos quemadores estuvieran a la misma temperatura?

¿Por qué?
Calor específico
Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto, en un grado centígrado.
Modelo matemático de la capacidad calorífica:
Modelo matemático de la capacidad calorífica:
donde:

C = Capacidad calorífica en cal/°C, kcal/°C, J/°C, J/k, erg/°C o BTU/°F

DQ = Incremento de calor en cal, kcal, J, erg o BTU

DT = Incremento de temperatura en °C, k o °F
Expresión matemática del calor específico
La expresión matemática del calor específico es:
Pero como
Sustituyendo en la expresión original:
donde
es el calor específico en
es la capacidad calorífica en
es el incremento de calor en cal, kcal, J, erg o BTU
Es el incremento de temperatura en °C, k, o °F
Problema de ejemplo:
Un bloque de plomo tiene una masa es de 170 g y una capacidad calorífica de 5.0 cal/°C. ¿Cual es el valor del calor específico?
Datos:
m = 170 g

C = 5.0 cal/°C
Fórmula:
Operaciones:
Solución:
Esto significa que para elevar en 1 °C la temperatura de 1 g de plomo se le debe suministrar 0.0294 cal.
Para calcular el calor que es necesario administrar a cualquier cuerpo para elevarlo a determinada temperatura, basta despejarlo en la segunda fórmula de calor específico:
O bien:
Calor específico
El calor específico es característico de cada material; el valor para cada sustancia se determina con mucho cuidado en el laboratorio y los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Ejemplo 2
Un bloque de aluminio tiene una masa de 200g, absorbe calor y su temperatura se eleva de 20°C a 140°C ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida por el bloque de aluminio?
Datos:
Fórmula:
Operaciones:
Solución:
Esto significa que si el bloque de aluminio descendiera de 140°C a 20°C liberaría 5208 calorías, es decir, la misma cantidad que absorbió al calentarse
Ejemplo 3:
¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a una esfera de plomo de 2.4 kg para que se eleve su temperatura de 18°C a 39°C?
Datos:
Fórmula:
Operaciones:
Solución:
Esto significa que si la temperatura de la esfera de plomo descendiera de 39 °C a 18 °C, liberaría 1562.4 calorías, es decir, la misma cantidad que absorbió al calentarse.
Equilibrio térmico
Cuando dos objetos se encuentran a diferente temperatura se mezclan, la temperatura final es una temperatura intermedia entre ambas, claro que dependiente de la masa del objeto y su calor específico.
Ley cero de la termodinámica
“Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”.
Matemáticamente, podemos decir que al mezclarse dos cuerpos con diferente temperatura, el equilibrio térmico se alcanza cuando:
y por consiguiente:
Ejemplo 1:
Se vierten 250 g de agua a 50 °C en un recipiente de aluminio de 200 g a temperatura ambiente (20 °C). ¿Cuál será la temperatura final del sistema aluminio-agua?
Datos:
Agua = pierde calor
m = 250 g

Ce = 1 cal/g°C

T0 = 50 °C
Aluminio = gana calor
m = 200 g

Ce = 0.217 cal/g°C

T0 = 20 °C
Tf = ?
Fórmula:
El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.
Sustitución:
Solución:
El equilibrio térmico se alcanza a los 45.56°C y pueden obtenerse dos conclusiones:

La temperatura estará entre los 20°C y los 50 °C
Se acercó más a los 50 °C porque el aluminio pasa más calor que el agua debido a su calor específico.
Ejercicio:
Determina la temperatura a que se da el equilibrio térmico al mezclar 390 g de oro a 90 °C con 500 g de agua a 30 °C. Considera que el calor específico del oro es de 0.031 cal/g°C.
Datos:
Del oro:
Del agua:
Fórmulas:
Operaciones:
Solución:
El equilibrio térmico se alcanza a los 31.42 °C. A esta temperatura, el calor cedido por el oro es igual al calor ganado por el agua.
Introducción:
En la vida cotidiana observamos diversos fenómenos donde se manifiestan intercambios de energía de calorífica a mecánica, por ejemplo, las plantas termoeléctricas de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) utilizan el vapor (energía calorífica) para mover grandes bobinas (energía mecánica) que generan energía eléctrica.
Planta termoeléctrica
Esquema de una central térmica
Termodinámica
Es la rama de la física que estudia la transformación del calor en trabajo y viceversa
Introducción a la Termodinámica
Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico se define como "porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un límite o frontera con el propósito de poder estudiarlo" (Pérez Montiel, 2000)
Sistemas termodinámicos
Un ejemplo de un sistema termodinámico puede ser una taza de café caliente; en este caso, el sistema sería: el agua, el café y el azúcar; la frontera estaría representada por las paredes de la taza; y finalmente, el entorno-universo es todo lo que rodea a la taza
Fronteras de un sistema termodinámico
Pueden ser:

Diatérmicas: es la pared o frontera que permite el intercambio de calor del sistema con el entorno o el universo.

Adiabáticas: es el límite del sistema que no permite la interacción térmica con el entorno o universo
Procesos termodinámicos
Se dividen en:
Adiabáticos: se presentan si el sistema no cede ni recibe calor ya que su temperatura es constante, por ejemplo, calentar agua en un termo de doble fondo
No adiabáticos: se manifiestan cuando el sistema interactúa térmicamente con el entorno
Ley cero de la termodinámica
"Si tres sistemas (A, B y C) no adiabáticos, coexisten, y los sistemas A y B están en equilibrio con el sistema C, entonces los sistemas A y B están en equilibrio entre sí"
Equivalente mecánico del calor
Es la cantidad de calor que se genera al realizar cierto trabajo, y sus equivalencias son:
Primera Ley de la Termodinámica (ley de la conservación de la energía)
Esta se desprende de la demostración de que la energía mecánica genera energía térmica y viceversa, y su enunciado dice:
"La variación de la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma"
En lenguaje matemático, la primera ley de la termodinámica expresa:
donde:

= variación de la energía interna del sistema en calorías o joules.

= calor que gana o cede el sistema en calorías o joules.

=Trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre éste, en calorías o joules
Es importante acotar que el valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de él.

De igual manera el valor de W será positivo si el sistema es el que realiza el trabajo y negativo si se realiza trabajo sobre de los alrededores sobre el sistema.
Ejemplo:
¿Cuál es la variación de la energía interna, expresada en joules, de un sistema formado por un gas encerrado en un cilindro, si se le suministran 180 calorías y realiza un trabajo de 520 J?
Datos:
Fórmula:
Operaciones:
Convirtiendo las calorías a joules:
Calculando la variación de la energía interna:
Solución:
Ejemplo:
¿Cuál es la variación de la energía interna, expresada en joules, de un sistema formado por un líquido encerrado en un tanque si se le suministran 278 calorías y realiza un trabajo de 648 J?
Datos:
Fórmula:
Operaciones:
Convirtiendo las calorías a joules:
Calculando la variación de la energía interna:
Solución:
Segunda Ley de la Termodinámica
Enunciado de Rudolph J. E. Celcius:
"El calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente" (Pérez Montiel, 2000)
Tercera Ley de la Termodinámica
¿Qué materia tendrá mayor movimiento en sus moléculas: una piedra, el agua o el oxígeno?
La respuesta a esta interrogante trae consigo un concepto que se aplica en la tercera ley que es la
entropía
, que describe a una magnitud física que mide el grado de "desorden" de las moléculas de la materia.
Un cuerpo en estado sólido mantiene sus moléculas con una fuerza de cohesión mayor, por lo tanto sus moléculas cuentan con mayor "orden" y su entropía es menor.

Al aplicar este razonamiento a un gas, sus moléculas cuentan con mayor movimiento, por lo que su nivel de "orden" es menor, por consecuencia su entropía es mayor.
Tercera Ley de la Termodinámica
"La entropía de un sólido cristalino puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura de cero absoluto" (Pérez Montiel, 2000)
Ejemplo:
En un taller de torno se soldó una pieza de hierro la cual alcanzó una temperatura de 350°C y después se introdujo en un recipiente con 4500 g de agua a 28 °C para que se enfriara más rápido; al final la temperatura de la pieza de hierro y la del agua fue de 42 °C. ¿Cuál es la masa de la pieza de hierro?
Datos:
Hierro - pierde calor Agua - gana calor
Fórmula:
Operaciones:
Solución:
Para que el equilibrio térmico se logre a los 42 °C la masa de la pieza de hierro debe ser de 1810.14 g.
Ing. Emiliano Elenes C.
COBAES Plantel 14
Enunciado de William Thomson Kelvin:
"Es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra" (Pérez Montiel, 2000)
Fuentes:
Plataforma Educativa del Colegio de Bachilleres del Estado de Sinaloa
http://www.cobaes.edu,mx
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