F1. Guia 6. Calorimetria

Física 1
Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo.
Unidad 3. Calorimetría
Guía 6. Calorimetría
Calor específico
Rta.: -284 Kcal
1) ¿Cuántas calorías ceden 50 kg de cobre al
enfriarse desde 36 ºC hasta -4 °C?
Rta.: -188 Kcal
10) A 500 g de de cobre se le extraen 20 Kcal.
Calcular la temperatura que alcanza si estaba a a) 500 ºC b) 1000 ºC c) 1083 ºC en estado líquido
Rta.: a) 74,5 ºC b) 575ºC c) 998,5 ºC
2) Un bloque de acero de 1,5 toneladas se
calienta hasta absorber 1 800 Kcal. ¿A qué
temperatura queda si estaba a 10 ºC?
Rta.: 20ºC
3) ¿Qué masa tiene una plancha de cobre si
cede 910 cal al enfriarse desde 192 ºC hasta
-8 ºC?
Rta.: 48,4 g
4) ¿Cuántas calorías absorben 3,4 kg de mercurio cuando se calienta desde -20 ºC hasta
30 ºC?
Rta.: 5,61 Kcal
5) Se tienen 2,5 toneladas de hierro que ceden
56.500 Kcal al enfriarse desde 700 ºC. El calor que pierde el hierro es absorbido por
480 m3 de aire a 18 ºC que lo rodea a) ¿A
qué temperatura queda el hierro? b) ¿A qué
temperatura queda el aire?
Rta.: a) 500 ºC b) 219 ºC
6) Se tienen 500 g de una pieza de un metal a
20 °C y se le agrega 10.000 cal. ¿Cuál es el
incremento de temperatura en caso de que
el metal sea a) cobre b) estaño c) plomo?
Rta.: a) 233 ºC b) 353 ºC c) 1.073 ºC
Cambios de estado
7) Hallar el calor que se debe extraer de 20 g
de vapor de agua a 100 °C para condensarlo
y enfriarlo hasta 20 °C.
Rta.: -12,4 Kcal
8) Se tiene un trozo de hielo de 1 kg a una
temperatura de -40 °C
a) ¿Cuánto calor se necesita para transformarlo a vapor de agua?
b) ¿Cuánto calor se necesita para transformar a vapor de agua sólo la mitad del
hielo?
Rta.: a) 740 Kcal. b) 370 Kcal
9) Hallar el número de kilocalorías absorbidas
por una heladera al enfriar 3 kg de agua a
15 °C y transformarlos en hielo a 0 °C.
11) A 750 g de hielo se le agregan 70 Kcal. Calcular la temperatura que alcanza si estaba a
a) -200 ºC b) -10 ºC c) -100 ºC
Rta.: a) -13,3 ºC b) 8,67 ºC c) 0 ºC
12) Calcular la cantidad de calor necesaria para
transformar 10 g de hielo a 0 °C en vapor a
100 °C.
Rta.: 7,20 Kcal
Flujo calórico
13) Una placa de hierro de 2 m de espesor tiene
una sección recta de 5.000 cm2. Una de las
caras se halla a la temperatura de 150 ºC y
la opuesta a 140 ºC. Calcular la cantidad de
calor que se transmite por segundo. La conductividad térmica del hierro vale 0,115
cal/s·cm·ºC
Rta.: 28,75 cal/s
14) En una habitación hay una pared de ladrillos
de 3 m de ancho, 2,75 m de alto y de 15 cm
de espesor que da al exterior con una ventana de vidrio de 5 mm ( = 0, 44 cal /
m·ºC·s) de 1,5 m de alto y 2 m de ancho.
Dentro de la habitación se mantiene una
temperatura de 22ºC mediante un sistema
de calefacción, mientras que en el exterior
la temperatura es de 15ºC. Calcular la cantidad de calor que se pierde por hora a través:
a) de la ventana
b) de la pared
Rta.: a) 6.653 Kcal b) 168 Kcal
15) Una ventana de cristal térmico ( = 0,014
cal / m·ºC·s) de 6 m2 de área esta constituido con dos hojas de vidrio, cada una de 4
mm de espesor separadas por un espacio
de aire de 5 mm. Si el interior está a 20 ºC y
el exterior a –30 ºC, ¿cuál es la pérdida de
calor a través de la ventana?
Rta.: 1,35 Kw
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16) Una placa de hierro de 2 cm de espesor
tiene un área de 5000 cm2 en su sección
transversal. Una de las caras está a 150 °C y
la otra está a 140°C. ¿Cuánto calor fluye a
través de la placa en cada segundo?
Rta: 20 kJ/s
17) Una placa de metal de 4mm de espesor
tiene una diferencia de temperatura entre
sus dos caras es de 32°C. Transmite una
energía calorífica de 200 kcal/h a través de
un área de 5 cm2. Calcular la conductividad
térmica del metal.
Rta: 58,05 W/m °C
18) ¿Cuánto calor fluye por hora a través de un
vidrio ( = 0,84 W/m °C) de 80 cm x 80 cm x
3 mm si la temperatura del interior es 18°C
y la exterior es 0°C?
Rta: 2778 Kcal
19) ¿Qué diferencia de temperatura habrá entre las caras de un cubo de aluminio de 1
cm de lado si transmite 8 calorías por segundo?
Rta: 16°C
Tabla de coeficientes
Sustancia
Aceite de Oliva
Acero
Agua
Alcohol
Aluminio
Antimonio
Azufre
Bronce
Cadmio
Carbón Mineral
Carbón Vegetal
Cinc
Cobalto
Cobre
Cromo
Estaño
Éter etílico
Glicerina
Hierro
Ladrillo Refractario
Latón
Mercurio
Mica
Naftalina
Parafina
Plata
Platino
Plomo
Potasio
Tolueno
Vidrio
Ce
(cal/g·°C)
0,400
0,120
1,000
0,600
0,217
0,050
0,179
0,086
0,056
0,310
0,201
0,093
0,104
0,094
0,108
0,060
0,540
0,580
0,113
0,210
0,094
0,033
0,210
0,110
0,056
0,031
0,031
0,019
0,380
0,200
0,180
Sustancia
Estado
Agua
Agua
Agua
Aire
Alúmina
Amoníaco
Argón
Arsénico
Berilio
Cera de parafina
Etanol
Gasolina
Helio
Hidrógeno
Litio
Magnesio
MgO
Neón
Níquel
Nitrógeno
Oro
Polipropileno
Titanio
Uranio
Wolframio
Gas
líquido
sólido
Gas
sólido
líquido
Gas
sólido
sólido
sólido
líquido
líquido
Gas
Gas
sólido
sólido
sólido
Gas
sólido
Gas
sólido
sólido
sólido
sólido
sólido
Ce
(J/g·°C)
2,08
4,1813
2,114
1,012
0,16
4,7
0,5203
0,328
1,82
2,5
2,44
2,22
5,1932
14,3
3,58
1,02
0,457
1,0301
0,444
1,04
0,1291
1,88
0,523
0,116
0,133
Material
Acero
Acero inoxidable
Agua
Aire
Alcohol
Alpaca
Aluminio
Amianto
Bronce
Cobre
Corcho
Estaño
Fibra de vidrio
Glicerina
Hierro
Ladrillo
Ladrillo refractario
Latón
Litio
Madera
Mercurio
Níquel
Oro
Parafina
Plata
Plomo
Poliestireno expandido (Telgopor ®)
Poliuretano
Vidrio
Zinc

(W/m·K)
47 - 58
14-16
0,58
0,024
0,16
29,1
209,3
0,04
116-186
372,1-385,2
0,04-0,30
64,0
0,03-0,07
0,29
80,2
0,80
0,47-1,05
81 - 116
301,2
0,13
83,7
52,3
308,2
0,21
406,1-418,7
35,0
0,025-0,045
0,018-0,025
0,6 - 1
106-140
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TRANSMISIÓN DE CALOR
INTRODUCCIÓN
Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben
parte del calor transmitido. También esos cuerpos, en función del material de que están constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad.
El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura. En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no
todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar
aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría
que la expuesta.
Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material. La propiedad de retener parte del calor
absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material.
CALOR
calor
En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de
su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita. Si dentro de un
ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de
habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que
se logre el máximo aislamiento.
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La conductividad térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su
masa, deberá entonces limitarse. Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de
energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor.
EL FENÓMENO DE TRANSFERENCIA
Hemos visto que cuando dos o más sistemas de temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre sí a través de una pared alcanzan el estado de equilibrio térmico. Este fenómeno se
explica por el pasaje de energía calorífica de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor
temperatura y se lo denomina transmisión de calor. En un sentido más amplio, este fenómeno se
produce también entre las porciones de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se encuentran también a temperaturas diferentes.
En este fenómeno el estado físico es importante,
ya que de acuerdo a cómo estén vinculadas estas
moléculas, se presentarán tres formas de transmisión de calor:
1) Conducción: esta forma de transmisión de
calor se manifiesta principalmente en los cuerpos
sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor
desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo
o de un cuerpo a otro en contacto con él.
2) Convección: esta forma se manifiesta en los líquidos
y gases que alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la
mezcla de las porciones del fluido que se encuentran a
diferentes temperaturas. La convección será natural cuando el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La
convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador en los gases.
Convección
3) Radiación: es la forma de transmisión en la que el
calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de
menor temperatura sin que entre ellos exista un vínculo
material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío,
en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante.
Radiación
Si bien para facilitar el fenómeno de transmisión hemos separado el fenómeno en tres formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se transmite en dos o tres formas simultáneamente.
Es decir que la conducción puede incluir también convección y radiación y los problemas de convección incluyen a la conducción y a la radiación.
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CONDUCCIÓN DEL CALOR
Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras y se las denomina buenos conductores,
mientras que aquellas que lo hacen con mayor dificultad se denominan malos conductores o aisladores. Entre las primeras se encuentran los metales y entre los malos conductores los gases y
los líquidos como así también muchos cuerpos sólidos. Se debe tener en cuenta que el mercurio
por ser un metal es buen conductor del calor a pesar de encontrarse en estado líquido.
FLUJO CALORICO. LEY DE FOURIER
Si la temperatura es función lineal de la distancia, la gradiente de temperatura tendrá el mismo
valor entre los puntos A y B. Llamando Q a la cantidad de calor transmitida en un tiempo , en un
espesor e, por la superficie S, se cumple que:
Q =  · S ·  · t
e
donde
S = superficie (m2); t = diferencia de temperaturas entre las caras (ºC); e = espesor (m);
 = tiempo (seg.) y = coeficiente de conductibilidad térmica.
Podemos definir entonces el coeficiente de conductibilidad térmica como la cantidad de calor que
se transmite en un segundo, a través de la unidad de superficie, entre dos planos paralelos distantes la unidad de longitud y cuando la diferencia de sus temperaturas es de 1°C.
Se denomina flujo calorífico  (fi) a la relación  = Q /  y expresa la cantidad de calor que se
transmite en la unidad de tiempo. En la expresión del flujo calorífico, se observa que depende de
la diferencia de temperatura, en consecuencia, cuando la diferencia de temperaturas permanece
constante, el flujo también será constante.
Unidades del coeficiente de conductibilidad
Si despejamos el valor de  de la expresión de Fourier en el sistema internacional o MKS el coeficiente de conductibilidad térmica será:
Joule
watt
=
=
m ºC seg
m ºC
El valor numérico de  depende del material del cuerpo. Veamos algunos valores para buenos y
malos conductores, a 0°C.
MATERIAL
Plata
Cobre
Lana de vidrio
Corcho molido
 ( cal / m . °C. h)
360
335
0,032
0,011
Característica
Muy Bueno
Bueno
Malo
Muy Malo
En los metales, pequeñas cantidades de impurezas pueden modificar considerablemente el valor
de . Así por ejemplo, bastan trozos de arsénico en el cobre para reducir su conductividad térmica
hasta cerca de la tercera parte de la correspondiente al cobre puro. Este proceso se denomina
dopado, y se utiliza en la fabricación de semiconductores que se usan en la industria electrónica.
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