Calorimetría

Calorimetría Rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor

Calor Es la transferencia de energía entre la materia como resultado de las diferencias en la temperatura . T 1 T 2 T 1 > T 2 Energía

Unidad del Calor : 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). Unidades de Cantidad de Calor Las unidades de cantidad de calor ( Q ) son las mismas unidades de trabajo ( T ). Relación entre unidades Sistema de Medida • Sistema Técnico • Sistema Internacional (S.I.) •Sistema C.G.S. Unidad de Medida • Kilográmetro (Kgm) • Joule (J) • Ergio (erg) 1 kgm = 9,8 J 1 J = 10 7 erg 1 kgm = 9,8.10 7 erg 1 cal = 4,186 J 1 kcal = 1000 (10³) cal 1 BTU = 252 cal

Equivalente mecánico del calor 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 específico Es el calor que debe recibir una sustancia para que aumente su temperatura 1 ºC. Capacidad calorífica (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

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 . 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

Formas de transformación del 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 Calor 1º .- Cambios de Estado Fusión Vaporización Sublimación Solidificación Licuefacción Sublimación Cambios progresivos (  ) Absorven Q Cambios regresivos (  ) Desprenden Q

Agua : L f = 3.34 105 J/kg L f = 79.6 cal/g L v = 2.256 106 J/kg L v = 539 cal/g Q = mL f Q = mLv Fusión Vaporización Cambio de estado : Sólido a líquido Cambio 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.

Calor latente Calor 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 ebullición Fase líquida Fase sólida Punto de fusión T (°C) Tiempo

2º .- Dilatación Es el fenómeno por el que los cuerpos experimentan una variación de volumen al modificar su temperatura. Dilatación Lineal L = Longitud final Lo = Longitud inicial £ = Coeficiente de Dilatación Líneal At = incremento de temperatura = (tf - to) Coeficiente de dilatación lineal

Dilatación Superficial S = Superficie final So = Superficie inicial ß = Coeficiente de Dilatación Superficial At = Incremento de temperatura = (tf - to) Coeficiente de dilatación superficial Dilatación Cúbica V = Volumen final Vo = Volumen inicial y = Coeficiente de Dilatación Cúbica At = Incremento de temperatura = (tf - to) Coeficiente de dilatación cúbica

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

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

Calorímetro • 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 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 Q 1 Q 2

Energía Térmica • Es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. • La cantidad de energía térmica recibe el nombre de calor

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 máquinas 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 calorimetría 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 la 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  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 = 0,093 cal ]  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

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. Q1 + Q2 +Q3 + Q4 = 0

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