Tema 3 Cantidad de Calor
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1 Cantidad de calor La energía térmica es la energía asociada con el movimiento molecular al azar, pero no es posible medir la posición y la velocidad de cada molécula de una sustancia para determinar su energía térmica. Sin embargo, podemos medir cambios de energía térmica relacionándolos con cambios de temperatura. Por ejemplo, cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se colocan juntos, finalmente alcanzarán una temperatura intermedia. A partir de esta observación, se puede decir con seguridad que el sistema de mayor temperatura ha cedido energía térmica al sistema de menor temperatura. La energía térmica perdida o ganada por los objetos se llama calor. Este capítulo se ocupa de la medición cuantitativa del calor. Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Definirá cuantitativamente el calor en términos de la caloría, la kilocaloría, el joule y la unidad térmica británica (Btu). 2. Escribirá una fórmula para expresar la capacidad de calor específico de un material y la aplicará para resolver problemas en los que intervengan la pérdida y ganancia de calor. 3. Escribirá fórmulas para calcular los calores latentes de fusión y de vaporización y las aplicará a la resolución de problemas en los cuales el calor produce un cambio de fase de una sustancia. 4. Definirá el calor de combustión y lo aplicará a problemas que impliquen la producción de calor. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 2 El significado del calor En el pasado se creía que dos sistemas alcanzaban su equilibrio térmico por medio de la transferencia de una sustancia llamada calórico. Se había postulado que todos los cuerpos contenían una cantidad de calórico proporcional a su temperatura. De este modo, cuando dos objetos estaban en contacto, el objeto de mayor temperatura transfería calórico al objeto de menor temperatura hasta que sus temperaturas se igualaban. La idea de que una sustancia se transfiere conlleva la implicación de que hay un límite para la cantidad de energía calorífica que es posible obtener de un cuerpo. Esta última idea fue la que, a la postre, condujo a la caída de la teoría del calórico. El conde Rumford de Baviera fue el primero que puso en duda la teoría del calórico. El realizó su descubrimiento en 1798 cuando supervisaba la perforación de un cañón. Toda la superficie de éste se mantenía llena de agua, durante la operación, para evitar el sobrecalentamiento. A medida que el agua hervía y se evaporaba, los operarios la reponían. De acuerdo con la teoría existente, se tenía que suministrar calórico para que el agua hirviera. La aparente producción de calórico se explicaba con la suposición de que cuando la materia se dividía extremadamente, perdía parte de su capacidad para retener el calórico. Rumford diseñó un experimento con el fin de demostrar que aun cuando una herramienta para taladrar no cortaba totalmente el metal del cañón, se producía el suficiente calórico para que el agua hirviera. En realidad, parecía que mientras se suministrara trabajo mecánico, la herramienta era una inagotable fuente de calórico. Rumford acabó con la teoría del calórico basándose en sus experimentos y sugirió que la explicación tenía que estar relacionada con el movimiento. Por consiguiente, surgió la idea de que el trabajo mecánico era responsable de la generación de calor. Posteriormente, sir James Prescott Joule estableció la equivalencia de calor y trabajo como dos formas de energía. La cantidad de calor La idea del calor como una sustancia se debe descartar. No se trata de algo que el objeto posea, sino de algo que él mismo cede o absorbe. El calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse únicamente en términos del efecto que produce. La unidad de energía del SI, el joule, es también la unidad preferida para medir el calor, puesto que éste es una forma de energía. Sin embargo, hay tres antiguas unidades que aún se conservan, y de ellas se hablará también en este texto. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 3 Estas primeras unidades se basaron en la energía térmica requerida para producir un cambio patrón. Son la caloría, la kilocaloría y la unidad térmica británica (.British thermal unit) o Btu. “Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.” “Una kilocaloría (kcal) es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius (1 kcal = 1 000 cal).” “Una unidad térmica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra patrón (Ib) de agua en un grado Fahrenheit.” Además del hecho de que estas viejas unidades implican que la energía térmica no se puede relacionar con otras formas de energía, existen otros problemas con su uso. El calor requerido para cambiar la temperatura del agua de 92 a 93°C no es exactamente el mismo que el que se necesita para elevar la temperatura de ese líquido de 8 a 9°C. Por tanto, es necesario especificar el intervalo de temperatura para la caloría y para la unidad térmica británica en aplicaciones de precisión. Los intervalos elegidos fueron 14.5 a 15.5°C y 63 a 64°F. Además, la unidad libra que aparece en la definición del Btu debe ser reconocida como la masa de la libra patrón. Esto representa el abandono de las unidades del SUEU, ya que en ese sistema la libra quedó reservada para expresar el peso. Por tanto, en este capítulo, cuando se mencione 1 Ib de agua, nos estaremos refiriendo a la masa de agua equivalente a 1/32 slug. Esta distinción es necesaria debido a que la libra de agua debe representar una cantidad constante de materia, independientemente del lugar geográfico. Por definición, la libra masa se relaciona con el gramo y el kilogramo en la siguiente forma: 1 Ib = 454 g = 0.454 kg La diferencia entre estas antiguas unidades para el calor resulta de la diferencia que existe entre las masas y de la diferencia entre las escalas de temperatura. Como ejercicio demuestre que: 1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal La primera relación cuantitativa entre estas unidades antiguas y las unidades tradicionales para la energía mecánica fue establecida por Joule en 1843. Aunque Joule diseñó gran número de experimentos para demostrar la equivalencia de las unidades del calor y las unidades de energía, el aparato que se recuerda con más frecuencia es el que aparece en la figura. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 4 Experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Al descender las pesas realizan trabajo al agitar el agua y elevar su temperatura. La energía mecánica se obtenía al hacer descender pesas, las cuales hacían girar un juego de aspas dentro de un recipiente con agua. La cantidad de calor absorbido por el agua se medía partiendo de la masa conocida y de la medición del incremento de temperatura del agua. En la actualidad, el equivalente mecánico del calor ya se ha establecido con un alto grado de precisión mediante varias técnicas. Los resultados aceptados son 1 cal = 4.186 J 1 kcal = 4186 J 1 Btu = 778 ft • Ib Por tanto, son necesarios 4.186 J de calor para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a 15.5°C. Por el hecho de que cada una de las unidades anteriores se sigue usando, con frecuencia es necesario comparar unidades o hacer conversiones de una unidad a otra. Ahora que se han definido las unidades para la medición cuantitativa del calor, la diferencia entre cantidad de calor y temperatura debe ser muy clara. Por ejemplo, suponga que vaciamos 200 g de agua en un vaso de precipitado y 800 g de agua en otro vaso, como muestra la figura La temperatura inicial del agua en cada vaso es de 20°C. Se coloca una flama La misma cantidad de calor se aplica a diferentes masas de agua. La masa mayor experimenta una menor elevación de temperatura. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 5 Se coloca una flama bajo cada vaso durante el mismo periodo, suministrando 8000 J de energía calorífica al agua de cada vaso. La temperatura de los 800 g de agua se incrementa un poco más de 2°C, pero la temperatura de los 200 g aumenta casi 10°C. Sin embargo, se suministró la misma cantidad de calor en cada vaso. Capacidad de calor específico Hemos definido la cantidad de calor como la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada. Sin embargo, la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de una sustancia, varía para diferentes materiales. Por ejemplo, suponga que aplicamos calor a cinco esferas, todas del mismo tamaño pero de material diferente, como muestra la figura Si deseamos elevar la temperatura de cada esfera a 100°C, descubriremos que algunas de las esferas deben calentarse más tiempo que otras. Para ilustrar esto, supongamos que cada esfera tiene un volumen de 1 cm3 y una temperatura inicial de 0°C. Cada una se calienta con un mechero capaz de suministrar energía térmica a razón de 1 cal/s. El tiempo necesario para que cada esfera alcance los 100°C aparece en la figura Observe que la esfera de plomo alcanza la temperatura final en sólo 37 s, mientras que la esfera de hierro requiere 90 s de calentamiento continuo. Las esferas de vidrio, aluminio y cobre necesitan tiempos intermedios entre esos valores. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 6 Puesto que las esferas de hierro y de cobre absorben más calor, se esperaría que liberaran más calor al enfriarse. Esto puede demostrarse colocando las cinco esferas (a 100°C) simultáneamente sobre una barra delgada de parafina, como se ve en la figura 17.3b. Las esferas de hierro y de cobre llegarán a fundir la parafina y a caer en el recipiente. Las esferas de plomo y de vidrio jamás la atravesarán. Es obvio que cada material debe tener alguna propiedad que se relacione con la cantidad de calor absorbido o liberado durante un cambio en la temperatura. Como un paso para establecer esta propiedad, vamos a definir primero la capacidad calorífica. “La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo.” Las unidades del SI para la capacidad calorífica son joules por kelvin (J/K), pero puesto que el intervalo Celsius es el mismo que el kelvin y se usa con más frecuencia, en este texto se usará el joule por grado Celsius (J/°C). Otras unidades son las calorías por grado Celsius (cal/°C), kilocalorías por grado Celsius (kcal/°C), y los Btu por grado Fahrenheit (Btu/°F). En los ejemplos anteriores se requirieron 89.4 cal de calor para elevar la temperatura de la esfera de hierro en 100°C. Por consiguiente, la capacidad calorífica de esta esfera de hierro específica es de 0.894 cal/°C. La masa de un objeto no se incluye en la definición de capacidad calorífica. Por tanto, la capacidad calorífica es una propiedad del objeto. Para que sea una propiedad del material, se define la capacidad calorífica por unidad de masa. A esta propiedad se le llama calor específico (o capacidad calorífica específica) y se simboliza por c. “El calor específico de un material es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa.” La unidad del SI para el calor específico designa al joule para el calor, al kilogramo para la masa, y al kelvin para la temperatura. Si nuevamente reemplazamos el kelvin con el grado Celsius, las unidades de c son J/(kg • °C). En la industria, la mayor parte de las mediciones de temperatura se hacen en °C o °F, y la caloría y el Btu se siguen usando aún con más frecuencia que las unidades del SI. Por tanto, continuaremos mencionando el calor específico en unidades cal/(g • °C) y Btu/(lb • °F), pero también usaremos las unidades del SI en algunos casos. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 7 En el ejemplo de la esfera de hierro, se determinó que su masa era de 7.85 g. El calor específico del hierro es, por tanto Observe que nos referimos a capacidad calorífica de la esfera y al calor específico del hierro. La primera se refiere al objeto en sí mismo, mientras que el último se refiere al material del que está hecho el objeto. En nuestro experimento de las esferas, observamos tan sólo la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura 100°C. No se tomó en cuenta la densidad de los materiales. Si el tamaño de las esferas se ajustara de tal manera que todas tuvieran la misma masa, observaríamos diferentes resultados. En vista de que el calor específico del aluminio es el mayor, se requerirá más calor para la esfera de aluminio que para las demás. En forma similar, la esfera de aluminio podrá liberar más calor al enfriarse. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, el calor específico del agua puede considerarse Como. Observe que los valores numéricos son los mismos para el calor específico expresado en cal/g • °Cy en Btu/lb • °F. Esta es una consecuencia de sus definiciones y puede demostrarse mediante la conversión de unidades: Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 8 Los calores específicos para la mayoría de las sustancias de uso común aparecen en la tabla Una vez que se han establecido los calores específicos de gran número de materiales, la nergía térmica liberada o absorbida se puede determinar debido a múltiples experimentos. Por ejemplo, la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m en un intervalo t, partiendo de la ecuación, es donde c es el calor específico de la masa. Ejemplo ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 200 g de mercurio de 20 a 100°C? Solución: La sustitución en la ecuación, da Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 9 La medición del calor Con frecuencia hemos destacado la importancia de distinguir entre energía térmica y temperatura. El término calor se ha presentado como la energía térmica absorbida o liberada durante un cambio de temperatura. La relación cuantitativa entre calor y temperatura se describe mejor por medio del concepto de calor específico tal como aparece en la ecuación anterior. Las relaciones físicas entre todos estos términos ahora están tomando su lugar. El principio del equilibrio térmico nos dice que siempre que los objetos se coloquen juntos en un ambiente aislado, finalmente alcanzarán la misma temperatura. Esto es el resultado de una transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los cuerpos más fríos. Si la energía debe conservarse, decimos que el calor perdido por los cuerpos calientes debe ser igual al calor ganado por los cuerpos fríos. O sea, Calor perdido = calor ganado Esta ecuación expresa el resultado neto de la transferencia de calor dentro de un sistema. El calor perdido o ganado por un objeto no se relaciona de manera sencilla con las energías moleculares de los objetos. Siempre que se suministra energía térmica a un objeto, éste puede absorber la energía de muy diversas maneras. El concepto de calor específico es necesario para medir las capacidades de diferentes materiales y utilizar la energía térmica para aumentar sus temperaturas. La misma cantidad de energía térmica suministrada no produce el mismo aumento de temperatura en todos los materiales. Por esta razón, decimos que la temperatura es una cantidad fundamental. Su medición es necesaria para determinar la cantidad de calor perdido o ganado durante un proceso específico. Al aplicar la ecuación general para la conservación de la energía térmica, ecuación anterior, la cantidad de calor ganado o perdido por cada objeto se calcula a partir de la ecuación. El término ∆t representa el cambio absoluto en la temperatura cuando se aplica a las ganancias y pérdidas. Esto significa que debemos pensar en temperatura alta menos temperatura baja en vez de temperatura final menos temperatura inicial. Por ejemplo, suponga que un perno calentado, inicialmente a 80°C se deja caer en un recipiente de agua cuya temperatura inicial es 20°. Suponga que la temperatura de equilibrio final es 30°C. Para determinar la pérdida de calor que sufrió el perno, ∆t es +50°C y para el cálculo del calor ganado por el agua, ∆t es + 10°C. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 10 Ejemplo Se calientan balas de cobre a 90°C y luego se dejan caer en 160 g de agua a 20°C. La temperatura final de la mezcla es 25°C. ¿Cuál era la masa de las balas? Plan: Para calcular la masa de las balas de cobre, consideramos que la pérdida de calor de las balas debe ser igual al calor ganado por el agua. Como no se menciona al contenedor suponemos que no hay un intercambio de calor considerable en ninguna otra parte. Establecemos la pérdida del calor igual al calor obtenido y resolvemos para hallar la masa desconocida. En este sencillo ejemplo no hemos tomado en cuenta dos hechos importantes: (1) el agua se encuentra en un recipiente, el cual también absorbe calor del cobre; (2) el sistema completo debe aislarse de las temperaturas externas. De otro modo, el equilibrio de temperatura siempre se alcanzaría a temperatura ambiente. Un dispositivo de laboratorio llamado calorímetro (véase la figura) se usa para tener bajo control este tipo de dificultades. El calorímetro consiste en un recipiente metálico delgado K, generalmente de aluminio, sostenido en su parte central y colocado dentro de una camisa externa A por medio de un soporte de hule no conductor H. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 11 La pérdida de calor se minimiza de tres maneras: (1) el empaque de hule evita pérdidas por conducción, (2) el espacio cerrado entre las paredes del recipiente impide la pérdida de calor por corrientes de aire, y (3) un recipiente de metal muy bien pulido reduce la pérdida de calor por radiación. Estos tres métodos de transferencia de calor se estudiarán en el siguiente capítulo. La tapa de madera L tiene orificios en su parte superior para poder introducir un termómetro y un agitador de aluminio. Ejemplo. En un experimento de laboratorio, se utiliza un calorímetro para determinar el calor específico del hierro. Se colocan 80 g de balines de hierro seco en la taza y se calienta a 95°C. La masa de la taza interior de aluminio con un agitador del mismo material es de 60 g. El calorímetro se llena parcialmente con 150 g de agua a 18°C. Los balines calientes se vacían rápidamente en la taza y se sella el calorímetro, como muestra la figura 17.5. Después que el sistema ha alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura final es 22°C. Calcule el calor específico del hierro. Plan: La pérdida de calor del hierro debe ser igual al calor ganado por el agua más el calor ganado por la taza y el agitador de aluminio. Supondremos que la temperatura inicial de la taza es la misma que la del agua y del agitador (18°C). Cuando escribimos la ecuación de la conservación, el calor específico del hierro queda como el único valor desconocido. Solución: Al organizar los datos conocidos tenemos Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 12 En este experimento el calor ganado por el termómetro no se considera por ser insignificante. En un experimento real, la porción del termómetro que queda dentro del calorímetro absorbería aproximadamente la misma cantidad de calor que 0.5 g de agua. Esta cantidad, llamada el equivalente del agua del termómetro, debe sumarse a la masa de agua en un experimento de precisión. Cambio de fase Cuando una sustancia absorbe una cierta cantidad de calor, la rapidez de sus moléculas aumenta y su temperatura se eleva. Dependiendo del calor específico de la sustancia, la elevación de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un sólido se funde o cuando un líquido hierve ocurre algo curioso. En estos casos, la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido hierve. Para comprender lo que le sucede a la energía aplicada, consideremos un modelo simple, como el que se ilustra en la Figura. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 13 Un modelo simplificado muestra las separaciones moleculares relativas en las fases sólida, líquida y gaseosa. Durante un cambio de fase, la temperatura permanece constante. En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, todas las sustancias pueden existir en tres fases, sólida, líquida o gaseosa. En la fase sólida, las moléculas se mantienen unidas en una estructura cristalina rígida, de tal modo que la sustancia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva. Al cabo del tiempo, la energía cinética se vuelve tan grande que algunas de las partículas rebasan las fuerzas elásticas que las mantenían en posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que asociamos con la fase líquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar más las moléculas que en la fase sólida. La temperatura no aumenta durante tal cambio de fase. El cambio de fase de sólido a líquido se llama fusión, y la temperatura a la cual se produce ese cambio se conoce como el punto de fusión. La cantidad de calor requerido para fundir una unidad de masa de una sustancia en su punto de fusión se llama el calor latente de fusión de esa sustancia. “El calor latente de fusión Lf de una sustancia es el calor p o r unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su tempera tura de fusión.” El calor latente de fusión L se expresa en joules por kilogramo (J/kg), calorías por gramo (cal/g), o Btu por libra (Btu/lb). A 0°C, 1 kg de hielo absorberá aproximadamente 334 000 J de calor en la formación de 1 kg de agua a 0°C. Por tanto, el calor latente de fusión para el agua es de 334 000 J/kg. El término latente surge del hecho de que la temperatura permanece constante durante el proceso de fusión. El calor de fusión en el caso del agua es cualquiera de los siguientes: Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 14 Después de que todo el sólido se funde, la energía cinética de las partículas del líquido resultante aumenta de acuerdo a su calor específico, y la temperatura se incrementa de nuevo. Finalmente, la temperatura llegará a un nivel en el que la energía térmica se usa para cambiar la estructura molecular, formándose un gas o vapor. El cambio de fase de un líquido a vapor se llama vaporización, y la temperatura asociada con este cambio se llama el punto de ebullición de la sustancia. La cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa se llama calor latente de vaporización. “El calor latente de vaporización Lv de una sustancia es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.” El calor latente de vaporización Lv se expresa en unidades de joule por kilogramo, calorías por gramo, o Btu por libra. Se ha encontrado que 1 kg de agua a 100°C absorbe 2 260 000 J de calor en la formación de 1 kg de vapor a la misma temperatura. El calor de vaporización para el agua es Los valores correspondientes al calor de fusión y al calor de vaporización de muchas sustancias se muestran en la tabla. Están dados en unidades del SI y en calorías por gramo. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 15 Debe observarse que los equivalentes de Btu por libra (Btu/lb) se pueden obtener multiplicando el valor en cal/g por (9/5). Estos valores difieren únicamente debido a la diferencia en las escalas de temperatura. Se ha dado un gran apoyo al uso industrial de las unidades del SI de J/kg tanto para el Lf como el Lv; sin embargo, pocas empresas de los Estados Unidos han hecho estas conversiones. Cuando se estudian los cambios de fase de una sustancia, con frecuencia es útil trazar un gráfico que muestre cómo varía la temperatura de la sustancia a medida que se le aplica energía térmica. Tal tipo de gráfica se muestra en la figura para el caso del agua. Si se toma del congelador a — 20°C una cierta cantidad de hielo y se calienta, su temperatura se incrementará gradualmente hasta que el hielo empiece a fundirse a 0°C. Por cada grado que se eleva la temperatura, cada gramo de hielo absorberá 0.5 cal de energía calorífica. Durante el proceso de fusión, la temperatura permanecerá constante, y cada gramo de hielo absorberá 80 cal de energía calorífica en la formación de 1 g de agua. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 16 Variación de temperatura debida a un cambio de la energía térmica del agua. Una vez que se ha fundido todo el hielo, la temperatura empieza a elevarse de nuevo con una rapidez uniforme hasta que el agua empieza a hervir a 100°C. Por cada grado de incremento en la temperatura, cada gramo absorberá 1 cal de energía térmica. Durante el proceso de vaporización, la temperatura permanece constante. Cada gramo de agua absorbe 540 cal de energía térmica en la formación de 1 g de vapor de agua a 100 °C. Si el vapor de agua que resulta se almacena y continúa el calentamiento hasta que toda el agua se evapore, la temperatura de nuevo comenzará a elevarse. El calor específico del vapor es 0.48 cal/g • °C. Ejemplo. ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 20 g de hielo a — 25°C en vapor a 120°C? Use unidades del SI y tome las constantes de las tablas. Plan: Necesitaremos separar en cinco partes este problema: (1) el calor requerido para llevar el hielo de — 25°C a la temperatura de fusión (0°C), (2) el calor requerido para fundir todo este hielo, (3) el calor para llevar el agua resultante de 0°C al punto de evaporación (100°C), (4) el calor para evaporar toda el agua y (5) el calor para aumentar la temperatura del vapor resultante a 120°C. A lo largo de todo el proceso, la masa (20 g) no cambia. El calor total requerido será la suma de estas cantidades. Con excepción de la temperatura, en este ejemplo usaremos las unidades del SI para todas las cantidades. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 17 Finalmente, debemos aumentar la temperatura del vapor a 120°C. Supondremos que el vapor está contenido de alguna manera ya que está en forma de vapor y debe ser posible sobrecalentarlo. Cuando se extrae calor de un gas, su temperatura cae hasta que alcanza la temperatura a la cual hirvió. Si se sigue extrayendo calor, el vapor retorna a la fase líquida. Este proceso se conoce como condensación. Al condensarse, un vapor libera una cantidad de calor equivalente al calor requerido para evaporarlo. Por tanto, el calor de condensación es equivalente al calor de vaporización. La diferencia radica únicamente en la dirección del calor transferido. En forma similar, cuando se extrae calor de un líquido, su temperatura disminuirá hasta que alcance la temperatura a la cual se funde. Si se sigue extrayendo calor, el líquido retorna a su fase sólida. Este proceso se conoce como congelación o solidificación. El calor de solidificación Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 18 es exactamente igual al calor de fusión. Por tanto, la única diferencia entre la congelación y la fusión consiste en que el calor se libera o se absorbe. En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, es posible que una sustancia cambie directamente de la fase sólida a la fase gaseosa sin pasar por la fase líquida. Este proceso se conoce como sublimación. El dióxido de carbono sólido (hielo seco), el yodo y el alcanfor (bolas de naftalina) son ejemplos de sustancias que se sabe que se subliman a temperaturas normales. La cantidad de calor absorbido por unidad de masa al cambiar de sólido a vapor se llama calor de sublimación. Antes de abandonar el tema de fusión y vaporización, resulta instructivo ofrecer ejemplos de cómo se miden. En cualquier mezcla, la cantidad de calor absorbido debe ser igual a la cantidad de calor liberado. Este principio se sostiene incluso si ocurre un cambio de fase. El procedimiento se demuestra en los ejemplos que se exponen a continuación. Ejemplo. Después de agregar 12 g de hielo triturado a — 10°C en el vaso de un calorímetro de aluminio que contiene 100 g de agua a 50°C, el sistema se sella y se deja que alcance el equilibrio térmico. ¿Cuál es la temperatura resultante? Plan: El calor perdido por el calorímetro y el agua debe ser igual al calor ganado por el hielo, incluyendo cualquier cambio de fase que haya ocurrido. Hay tres posibilidades para el equilibrio de temperatura: (1) 0°C con restos de agua y hielo, (2) arriba de 0°C, caso en el cual todo el hielo se funde, y (3) debajo de 0°C, si ninguno de los hielos se funde. Si se conocen la temperatura inicial y la cantidad de agua parece más probable que todo el hielo se funda y que la temperatura de equilibrio te esté por encima de 0°C. Daremos por cierta esta suposición y el resultado nos indicará si estamos en lo correcto. Solución: Calculamos la pérdida de calor total y la ganancia de calor total en forma separada con base en nuestras suposiciones. Para simplificar los cálculos, algunas veces se omitirán las unidades. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 19 Ahora bien, establecemos la pérdida de calor total igual a la ganancia de calor total y resolvemos para hallar la temperatura final. Ejemplo. Si 10 g de vapor a 100°C se introducen en una mezcla de 200 g de agua y 120 g de hielo, determine la temperatura final del sistema y la composición de la mezcla. Plan: El hecho de que la cantidad de vapor sea tan pequeña, en comparación con el hielo y el agua, nos lleva a preguntarnos si será suficiente el calor que desprende el vapor para fundir todo el hielo. Para resolver esta duda, calcularemos el calor necesario para fundir todo el hielo. Y luego lo compararemos con el calor máximo que podría desprender el vapor (tomando el agua condensada a menos de 0°C). Después podremos aplicar las leyes de la conservación para calcular la temperatura final y la composición de la mezcla. Cualquier mezcla de agua y hielo en equilibrio debe tener una temperatura de 0°C. Solución Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 20 Suponga en el segundo ejemplo que todo el hielo se hubiera fundido y trate de calcular te como en el primer ejemplo. En este caso, hubiéramos obtenido un valor para la temperatura de equilibrio por debajo del punto de congelación (0°C). Resulta evidente que este tipo de respuesta sólo se puede obtener si se parte de una suposición falsa. Otro procedimiento para resolver el segundo ejemplo sería calcular directamente el número de gramos de hielo que deben fundirse para equilibrar las 6400 cal de energía calorífica liberadas por el vapor. Queda como ejercicio para usted demostrar que en ambos casos se obtienen los mismos resultados. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 21 Resumen y repaso. En este capítulo hemos estudiado la cantidad de calor como una cantidad medible que se basa en un cambio patrón. La unidad térmica británica y la caloría son medidas del calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de agua en un grado. Al aplicar esas unidades comunes a experimentos con gran variedad de materiales, hemos aprendido a predecir las pérdidas o las ganancias de calor en forma constructiva. Los conceptos esenciales presentados en este capítulo son los siguientes: • La unidad térmica británica (Btu) es el calor necesario para cambiar la temperatura de una libra-masa de agua en un grado Fahrenheit. • La caloría es el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. • Varios factores de conversión pueden ser útiles para resolver problemas relacionados con la energía térmica: • La capacidad calorífica específica c se usa para determinar la cantidad de calor Q absorbida o liberada por unidad de masa m cuando la temperatura cambia en un intervalo ∆t. • Para la conservación de la energía térmica es necesario que, en cualquier intercambio de energía térmica, el calor perdido sea igual al calor ganado. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 22 Por ejemplo, suponga que el cuerpo 1 transfiere calor a los cuerpos 2 y 3 mientras el sistema alcanza una temperatura de equilibrio te: • El calor latente de fusión Lf y el calor latente de vaporización Lv son las pérdidas o ganancias de calor por unidad de masa m durante un cambio de fase. No hay cambio alguno de temperatura. Si se presenta un cambio de fase, las relaciones anteriores deben sumarse a la ecuación calorimétrica apropiada. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 23 Estrategia para resolver problemas Cantidad de calor y calorimetría 1. Lea el problema cuidadosamente, luego trace un esquema, marcando en él la información proporcionada y establezca qué es lo que va a calcular. Tenga cuidado de incluir las unidades para todas las cantidades físicas. 2. Si resulta una pérdida o ganancia de calor en un cambio de temperatura, necesitará decidir qué unidades son las apropiadas para el calor específico. La necesidad de usar unidades congruentes se demuestra aquí: Es conveniente escribir las unidades del calor específico al hacer sustituciones, de modo que la selección de las unidades correctas para otras cantidades resulte obvia. 3. Si hay un cambio de fase, puede necesitar el calor latente de fusión o de vaporización. Nuevamente en este caso debemos ser cuidadosos y usar aquellas unidades que sean consistentes con joules por kilogramo, calorías por gramo, o Btu por libra. La temperatura permanece constante durante un cambio de fase. 4. La conservación de la energía exige que la pérdida total de calor sea igual a la ganancia total de calor. Observe que una disminución de temperatura, la condensación o la congelación del líquido indican una pérdida de calor. Una elevación en la temperatura, fusión o vaporización ocurre cuando hay una ganancia de calor. Podemos sumar los valores absolutos de las pérdidas del lado izquierdo y establecer la igualdad con las ganancias totales del lado derecho. Como ejemplo, considere la masa mVAPOR del vapor a 100°C mezclado con una masa mHIELO, del hielo a 0°C. El resultado es agua a temperatura de equilibrio te . Observe que las diferencias de temperatura se indican como alta menos baja en cada caso para obtener los valores absolutos ganados o perdidos. Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 24 Cuestionario Cantidad de calor. 1. Comente la teoría del calor basada en el calórico. ¿En qué formas permite esa idea explicar con éxito los fenómenos térmicos? ¿En qué aspectos falla? 2. Tenemos bloques de cinco metales diferentes —aluminio, cobre, cinc, hierro y plomo— construidos con la misma masa y la misma área en corte transversal. Cada bloque se calienta hasta una temperatura de 100°C y se coloca sobre un bloque de hielo. ¿Cuál de ellos derretirá el hielo a la mayor profundidad? Haga una lista de los cuatro metales restantes en orden descendente, según su profundidad de penetración. 3. En un día de invierno se ha observado que la nieve acumulada sobre la acera de concreto se funde antes que la de la carretera. ¿Cuál de esas áreas tiene capacidad calorífica más alta? 4. Si dos objetos tienen la misma capacidad calorífica, ¿deben estar hechos forzosamente del mismo material? ¿Qué podemos decir de ellos si ambos tienen el mismo calor específico? 5. ¿Por qué se considera que la temperatura es una cantidad fundamental? 6. En la figura se presenta una analogía mecánica del concepto de equilibrio térmico. Cuando se abra la válvula, el agua fluirá hasta que tenga el mismo nivel en cada tubo. ¿Cuáles son las analogías con la temperatura y la energía térmica? 7. En una mezcla de hielo y agua, la temperatura tanto del hielo como del agua es de 0°C. ¿Por qué entonces el hielo parece más frío al tacto? 8. ¿Por qué el vapor a 100°C produce una quemadura mucho más intensa que el agua a 100°C? 9. La temperatura de 1 g de hierro se eleva en 1°C. ¿Cuánto calor más se requeriría para elevar la temperatura de 1 Ib de hierro en 1°F? Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 25 Problemas Cantidad de calor y cambio de fase. 1. ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 200 g de plomo, de 20 a 100°C? 2. Cierto proceso requiere 500 J de calor. Exprese esta energía en calorías y en Btu. 3. Un horno aplica 400 kJ de calor a 4 kg de una sustancia, causando que su temperatura se eleve en 80°C. ¿Cuál es el calor específico? 4. ¿Qué cantidad de calor se liberará cuando 40 Ib de cobre se enfrían de 78 a 32°F? 5. Un automóvil de 900 kg que viaja con una velocidad inicial de 20 m/s se detiene. El trabajo requerido para que se detenga el carro es igual a su cambio en la energía cinética. Si todo este trabajo se convirtiera en calor, ¿qué cantidad equivalente se pierde en kilocalorías? 6. Un aparato de aire acondicionado tiene un régimen nominal de 15 000 Btu/h. Exprese esta potencia en kilowatts y en calorías por segundo. 7. En una taza de cerámica de 0.5 kg se sirve café caliente con un calor específico de 4186 J/(kg°C). ¿Cuánto calor absorbe la taza si la temperatura se eleva de 20 a 80°C? 8. Un motor eléctrico de 2 kW tiene 80% de eficiencia. ¿Cuánto calor se pierde en 1 h? 9. Un casquillo de cobre de 8 kg tiene que calentarse de 25 a 140°C con el fin de expandirlo para que se ajuste sobre un eje. ¿Cuánto calor se requirió? 10. ¿Cuántos gramos de hierro a 20°C será necesario calentar a 100°C para que liberen 1800 cal de calor durante el proceso de volver a su temperatura original? 11. Un trozo de 4 kg de metal (c = 320 J/(kg°C)) se encuentra inicialmente a 300°C. ¿Cuál será su temperatura final si pierde 50 kJ de energía calorífica? 12. En un tratamiento a base de calor, una parte de cobre caliente se enfría con agua, por lo cual pasa de 400 a 30°C. ¿Cuál era la masa de dicha parte si perdió 80 kcal de calor? 13. Un tubo de cobre de 400 g que se encuentra inicialmente a 200°C se sumerge en un recipiente que contiene 3 kg de agua a 20°C. Pasando por alto otros intercambios de calor, ¿cuál será la temperatura de equilibrio de la mezcla? 14. ¿Qué cantidad de aluminio (c = 0.22 cal/(g°C)) a 20° C tendrá que añadirse a 400 g de agua caliente a 80°C para que la temperatura de equilibrio sea de 30°C? 15. Un trozo de metal de 450 g se calienta a 100°C y luego se deja caer en la taza de un calorímetro de aluminio de 50 g que contiene 100 g de agua. La temperatura inicial de la taza y del agua es de 10°C y la temperatura de equilibrio es de 21.1 °C. Calcule el calor específico del metal. 16. ¿Qué masa de agua que inicialmente estaba a 20°C se debió mezclar con 2 kg de hierro para hacer que la temperatura del hierro bajara de 250°C a una temperatura de equilibrio de 25°C? Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez. 26 17. Un trabajador saca un trozo de hierro de 2 kg de un horno y lo coloca en un recipiente de aluminio de 1 kg, que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua. Si la temperatura del agua sube de 21 a 50°C, ¿cuál era la temperatura inicial del hierro? 18. ¿Cuánto hieiTo a 212°F se deberá mezclar con 10 Ib de agua a 68°F con el fin de tener una temperatura de equilibrio de 100°F? 19. Un bloque de cobre de 1.3 kg se calienta a 200°C y luego se introduce en un recipiente aislado que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua a 20°C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio? 20. Cincuenta gramos de perdigones de cobre se calientan a 200°C y luego se introducen en una taza de aluminio de 50 g que contiene 160 g de agua. La temperatura inicial de la taza y el agua es de 20°C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio? 21. En una fundición hay un horno eléctrico con capacidad para fundir totalmente 540 kg de cobre. Si la temperatura inicial del cobre era de 20°C, ¿cuánto calor en total se necesita para fundir el cobre? 22. ¿Cuánto calor se requiere para fundir totalmente 20 g de plata a su temperatura de fusión? 23. ¿Qué cantidad de calor se necesita para convertir 2 kg de hielo a —25°C en vapor a 100°C? 24. Si 7.57 X 106 J de calor se absorben en el proceso de fundir por completo un trozo de 1.60 kg de un metal desconocido, ¿cuál es el calor latente de fusión y de qué metal se trata? 25. ¿Cuántos gramos de vapor a 100°C es necesario mezclar con 200 g de agua a 20°C con el fin de que la temperatura de equilibrio sea de 50°C? 26. ¿Cuánto calor se libera en total cuando 0.500 Ib de vapor a 212°F se convierte en hielo a 10°F? 27. Cien gramos de hielo a 0°C se mezclan con 600 g de agua a 25°C. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio para la mezcla? 28. Cierta calidad de gasolina tiene un calor de combustión de 4.6 X 10' J/kg. Suponiendo una eficiencia de 100%, ¿cuánta gasolina habrá que quemar para fundir totalmente 2 kg de cobre a su temperatura de fusión? Academia de Física. Ing. Rafael A. Sánchez Rodríguez.
