CalorimetríaCalorimetría

Rama de la termodinámica que mide la Rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de cantidad de energía generada en procesos de

intercambio de calorintercambio de calor

CalorCalorEs la transferencia de energía entre la materia como

resultado de las diferencias en la temperatura.

T1 T2

T1 > T2

Energía

Unidad del CalorUnidad del Calor : : Caloría (cal)Caloría (cal)

► Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C a la presión de 1 atmósfera (Presión normal).

Sistema de Sistema de MedidaMedida

•Sistema Técnico

•Sistema Internacional

(S.I.) •Sistema C.G.S.

Unidad de Unidad de MedidaMedida

•Kilográmetro(Kgm)

•Joule (J)•Ergio (erg)

Unidades de Cantidad de Calor

Las unidades de cantidad de calor (Q) son las mismas unidades de trabajo (T).

Relación entre unidades

1 kgm = 9,8 J1 kgm = 9,8 J

1 J = 101 J = 1077 erg erg

1 kgm = 9,8.101 kgm = 9,8.1077 ergerg

1 cal = 4,186 J1 cal = 4,186 J

1 kcal = 1000 (10³) 1 kcal = 1000 (10³) cal cal

1 BTU = 252 cal1 BTU = 252 cal

Q

Equivalente mecánico del calorEquivalente mecánico del calor

W Q

1 cal = 4,186 joule

El trabajo que realizan las paletas se transforma en calor

En el experimento de Joule se determina la relación entre la unidad de energía joule y la

unidad de calor caloría.

Capacidad calorífica y Calor Capacidad calorífica y Calor

específicoespecífico

Es el calor que debe recibir una sustancia para que aumente su temperatura 1 ºC.

Capacidad calorífica Capacidad calorífica (C)(C)

Por lo tanto si una cantidad de calor Q produce un cambio en la temperatura de una sustancia se tiene:

Unidad : [c] = cal / °C

C agua = 1 cal/g.°C C hierro = 0,114 cal/g.°C

C hielo = 0,5 cal/g.°C C latón = 0,094 cal/g.°C

C aire = 0,24 cal/g.°C C mercurio = 0,033 cal/g.°C

C aluminio = 0,217 cal/g.°C C cobre = 0,092 cal/g.°C

C plomo = 0,03 cal/g.°C C plata = 0,056 cal/g.°C

Calor específico (c)Calor específico (c) Es la razón entre la capacidad calorífica (C) de un cuerpo y la masa (m) de dicho cuerpo.

Unidad : [c] = cal / g °C

•m es la masa de la sustancia en

gramos.

Formas de transformación Formas de transformación del calordel calor

Conducción Convección Radiación

Es típica en los sólidos. Es típica de líquidos y gases.

Se presenta en todos los estados físicos.

Es la transferencia de calor que tiene

lugar por transmisión de

Energía de unas partículas a otras,

sin desplazamiento de éstas.

Es la transferencia de calor que tiene

lugar mediante el movimiento de las partículas de un

fluido. El transporte es efectuado por

moléculas de aire.

Es la transferencia de calor mediante

ondas electromagnéticas sin intervención de partículas que lo

transporte.

Efectos del Efectos del CalorCalor

1º.- Cambios de Estado

Fusión Vaporización

Sublimación

Solidificación

Licuefacción

Sublimación

Cambios progresivos ()

Absorven Q

Cambios regresivos ()

Desprenden Q

FusiónFusión VaporizaciónVaporizaciónCambio de estado : Sólido a

líquidoCambio de estado : Líquido a gas

El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la solidificación.

El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por éste en la condensación.

Punto de fusión: Temperatura en la que se produce la fusión (en el agua :0 ºC).

Punto de ebullición: Temperatura en la que se produce la ebullición (en el agua:100º C).

Mientras se produce el cambio de estado, los puntos de fusión y ebullición son cte.

Calor latente de fusión: Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para convertirla completamente en líquido

Calor latente de vaporización : Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de ebullición para convertirla completamente en gas.

Agua :

Lf = 3.34 105 J/kg Lf = 79.6 cal/g

Lv = 2.256 106 J/kg

Lv = 539 cal/g

Q = mLf

Q = mLv

Calor Calor latentelatenteCalor latente de cambio de estado L: Es la cantidad de calor

que necesita una unidad de masa de una sustancia para cambiar de estado. Se mide en J/Kg o bien en cal/gr.

Q= m x L

El calor de fusión y vaporización solo se emplean en el cambio de estado, no en

aumentar la Temperatura.

100

0

-25

Fase gaseosa

Punto de ebulliciónFase líquida

Fase sólida

Punto de fusión

T (°C)

Tiempo

2º2º.- .- DilataciónDilatación Es el fenómeno por el que los cuerpos Es el fenómeno por el que los cuerpos experimentan una variación de volumen al experimentan una variación de volumen al

modificar su temperatura.modificar su temperatura.

Dilatación Dilatación LinealLineal

L = Longitud finalLo = Longitud inicial£ = Coeficiente de Dilatación LínealAt = incremento de temperatura = (tf - to)

Coeficiente de Coeficiente de dilatación linealdilatación lineal

Dilatación SuperficialDilatación SuperficialS = Superficie final

So = Superficie inicialß = Coeficiente de Dilatación

Superficial At = Incremento de temperatura =

(tf - to)

Coeficiente de Coeficiente de dilatación superficialdilatación superficial

Dilatación Dilatación CúbicaCúbica

V = Volumen finalVo = Volumen inicialy = Coeficiente de Dilatación CúbicaAt = Incremento de temperatura = (tf - to)

Coeficiente de dilatación Coeficiente de dilatación cúbicacúbica

1 • Se define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico

TemperatuTemperaturara

Equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura, se ponen en contacto,

al cabo decierto tiempo se acaban igualando sus temperaturas. Se dice que ha logrado el

equilibrio térmico.

• Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1

•Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2

•Sea t m la temperatura final de equilibrio

Como Q cedido = Q absorbido

m 1 · c 1 · (t 1 - t m) = m 2 · c 2 · (t m - t 2)

2• La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.

3• Se mide con los termómetros

4• El termómetro alcanza el equilibrio térmico con la muestra y nos indica la temperatura de la misma

Escalas Termométricas

Escala Celsius (ºC)

• Establecido por Anders Celsius en 1741

• Utiliza dos temperaturas de referencia que se llaman

puntos fijos

• Se divide el intervalo en 100 partes ( 1 ºC )

Escala Fahrenheits (ºF)

• Utilizada en el mundo anglosajón y emplea los

mismos puntos fijos que la escala centígrada pero los marca con los números 32 (fusión) y 212 (ebullición), dividiendo el intervalo en

180 partes (1 ºF)

Escala Kelvin (ºK)

• Propuesta por Lord Kelvin en 1854. Es la llamada escala de temperaturas

absolutas. Sitúa el 0ºK en la temperatura a la que las moléculas de

un cuerpo, no poseen

Otra escala termométrica. Relación entre escalas

• Escala Réaumur (º R)Establecida por René Antoine Réaumur, físico y naturalista francés que en 1730 popularizó el termómetro de alcohol con una escala 0 – 80, que dando la escala dividida en 80 partes ( 1 ºR )

•Relación entre escalas

CalorímetroCalorímetro

• Es un recipiente térmicamente aislado para evitar la fuga del calor

• Se utiliza para determinar el calor especifico de un solidó o liquido cualquiera

Por el Principio de Regnault

Sean:• Q1, el calor cedido por un objeto• Q2 el calor absorbido por otro objeto • Q3 el calor absorbido por el calorímetro Se cumple:

Q1 = Q2 + Q3.

Línea de Tiempo

1592

Galileo diseña el primer termómetro

El Duque de Toscana, construye el termómetro de bulbo de alcohol con capilar sellado

1641

Fahrenheit construyó e introdujo el termómetro de mercurio con bulbo

1717

1740

1765

Celsius, propuso los puntos de fusión y ebullición del agua al nivel del mar (P=1 atm) como puntos fijos y una división de la escala en 100 partes (grados).

Joseph Black introdujo los

conceptos de calor específico y de calor latente de

cambio de estado.

1769

Se asentaron las bases para utilizar las máquinas de vapor para mover maquinaria industrial, para el transporte marítimo y terrestre. Watt ideó la separación entre el expansor y el condensador y a partir de entonces empezó la fabricación a nivel industrial.

B. Thompson (conde Rumford) rebatió la teoría del calórico de Black diciendo que se podía generar continuamente calor por fricción, en contra de lo afirmado por dicha teoría.

1798

Con los concluyentes experimentos de Mayer y Joule, se establece que el calor es una forma de energía. Establecen una correspondencia entre la energía mecánica y el calor.

1842

Se adopta la temperatura del punto triple del agua como

único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y se conservó la separación centígrada de la

escala Celsius.

1967

Calor y TemperaturaCalor y Temperatura

CALOR: Energía que fluye de un cuerpo a otro

TEMPERATURA: Es una medida que indica desde y hacia donde fluirá el calor

TERMÓMETROS: Están basados en las propiedades físicas de los objetos que pueden cambiar con la temperatura:

• Volumen de un líquido• Longitud de un sólido• Presión de un gas• Resistencia eléctrica de un sólido• Diferencia de potencial eléctrico entre dos sólidos.

Objetos en contacto intercambiarán calor hasta alcanzar

el equilibrio térmico (igual temperatura)

La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un

cuerpo es proporcional a su masa.

Principios de la Calorimetría

Primer Principio

Segundo Principio

La cantidad de calor que se necesita para elevar la

temperatura de un cuerpo desde un valor A

hasta un valor B es igual a la cantidad de calor que el

cuerpo cede cuando su temperatura desciende

de B a A.

A B

Q1

Q2

Energía Energía TérmicaTérmica

• Es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos.

• La cantidad de energía térmica recibe el nombre de calor

Calor y TrabajoCalor y TrabajoCALOR TRABAJO

Existe equilibrio cuando la presión del gas sobre el

embolo coincide con la presión del embolo sobre el gas

Si la presión anterior aumenta, el émbolo se

elevará, obteniéndose un trabajo de expansión.

Máquinas Térmicas

Son dispositivos capaces de llevar a

cabo la transformación del

calor en trabajo mecánico .

En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura

El rozamiento transforma la

energia cinética en calor.

Suministrando calor al cuerpo no

conseguimos que este se mueva.

Rendimiento de las Rendimiento de las máquinasmáquinas

Se llama rendimiento de una maquina térmica al cociente entre el trabajo realizado y el calor recibido

del foco caliente.

El rendimiento solo depende de las temperaturas T1 y T2.

Ley fundamental de la Ley fundamental de la calorimetríacalorimetría

Un sistema aislado compuesto por n cuerpos, a diferentes

temperaturas, evoluciona espontáneamente hacia un estado de equilibrio en el que todos los

cuerpos tienen la misma temperatura. Los calores

intercambiados sumados con sus signos dan cero

Σ Qi = 0

► Q... cantidad de calor► m... masa del cuerpo► c... calor específico del cuerpo► Δt... variación de temperatura

Ecuación fundamental de Ecuación fundamental de la calorimetríala calorimetría

¿De qué factores depende la cantidad de calor que puede transferirse a un cuerpo?

•De la masa,•Del tipo de sustancia,

•De la diferencia de temperaturas, ,T m c

Q = m c T

¿Qué cantidad de calor necesita absorber un trozo de cobre cuya masa es 0.025 g si se encuentra a una temperatura de 8ºC y se desea que alcance una

temperatura final de 20ºC? [ce = 0,093cal ]

Q = m c T

Q = 27,9 calorías

Q = 25 g x 0.093 cal x 12º

Q = 25 g x 0.093 cal x (20º - 8º )

0.025 Kg. = 25 g

La temperatura de la superficie del Sol es de unos 6000 ºK . Exprésese esa temperatura en la escala Fahrenheit

32T95

T FC

932T

5T FC

273,16TT KC

Fº10340,33 255,37T59

T KF

Un trozo de hielo de 10 [gr] y temperatura –10 [ºC] se introducen en 1,5 [Kg] de agua a 75 [ºC]. Determine la

temperatura final de la mezcla. Cgrcalchielo º45,0 .80, grcalL hielofusión

Q1 + Q2 +Q3 + Q4 = 0

10)(0cm hielohielo fusiónhieloLm

0)(Tcm eaguahielo 75Tcm eaguaagua

.º94,73 CT e