Calorimetría

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

CalorEs la transferencia de energía entre la materia como resultado de las

diferencias en la temperatura.

T1 T2

T1 > T2

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).

Sistema de Medida

•Sistema Técnico

•Sistema

Internacional (S.I.)

•Sistema C.G.S.

Unidad de Medida

•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 J

1 J = 107 erg

1 kgm = 9,8.107 erg

1 cal = 4,186 J

1 kcal = 1000 (10³) cal

1 BTU = 252 cal

Q

Equivalente 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 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

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) 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 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

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.

Agua :

Lf = 3.34 105 J/kg

Lf = 79.6 cal/gLv = 2.256 106 J/kg

Lv = 539 cal/g

Q = mLf

Q = mLv

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

ebulliciónFase líquida

Fase sólida

Punto de fusión

T (°C)

Tiempo

2º.- DilataciónEs 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 SuperficialS = 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

1 • Se define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se

encuentran en equilibrio térmico

Temperatur

a

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 RegnaultSean:

• 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

Q1

Q2

Energía Térmica

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

• La cantidad de energía térmica recibe el nombre de calor

Calor y Trabajo

CALOR 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

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, ,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

32T9

5T FC

9

32T

5

T FC

273,16TT KC

Fº10340,33255,37T5

9T 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