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8/18/2019 Cantidad de Calor - Teoria
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Cantida
de
Calor
A PowerPoint Presentation by
Paul E.
Tippens
, Professor of Physics
Southern Polytechnic State
University
Traducci
ón
: Byron Albuja, MBA ME
© 2007
8/18/2019 Cantidad de Calor - Teoria
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Objetivos
:
Cuando
termine deestudiar
esta unidad
,
estará
en
capacidad
de:• Definir la cantidad de calor en términos de caloria,
kilocaloria, joule, y Btu.
• Escribir y aplicar fórmulas para la capacidad
de calor específico y resolución en la
pérdida y ganacia de calor.
Escribir fórmulas para calcular los calores latentes de
fusión y de vaporización aplicarlas a la resolución de
problemas en los cuales el calor produce un cambio de
fase de una sustancia.
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Calor
definido
como
Energía
Calor no es algo que un objeto tiene, sino la
energía que cede o absorbe. El calor perdido por
las brasas calientes es igual al ganado por el agua.
Brasas
Calientes
Agua fríaEquilibrio Térmico
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Unidades
de
Calor
Una caloria (1 cal) es la cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de un 1 g de
agua en 1 0C.
10 calorias de calor
elevarán la temperaturade 10 g de agua en 10 0C.
Ejemplo
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Unidades
de
Calor
(Cont.)
10 kilocalorias de calor
elevarán la temperatura de10 kg de agua en 10 0C.
Ejemplo
Una kilocaloria (1 kcal) es la cantidad decalor necesaria para elevar la
temperatura de 1 kg de agua en 1 0C.
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Unidades de Calor (Cont.)
10 Btu de calor elevarán la
temperatura de 10 lb deagua en 10 0F.
Ejemplo
Una Unidad Térmica Británica (1 Btu) esla cantidad de calor necesaria para elevar
la temperatura de 1 lb de agua en 1 F0.
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El Btu es una unidaddesactualizada
La Unidad Térmica Británica (1 Btu) estádesactualizada, pero desafortunadamente permanece
ampliamente usada. Si se la usa, se referirá a la
libra como unidad de masa, no peso.
1 lb (1/32) slug
Cuando trabajemos con el Btu,
debemos recorder que la libra-masa
no es una cantidad que dependa de la
gravedad --
una razón por la que el Btu
está desactualizado!
1 lb
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Unidades de Calor en el SI
Como el calor es energía, el joule es la unidad preferida. Entonces, energía mecánica y calor
se miden en la misma unidad fundamental.
1 cal = 4.186 J
Comparasión de Unidades de Calor :
1 kcal = 4186 J
1 Btu = 778 ft lb
1 Btu = 252 cal
1 Btu = 1055 J
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Temperatura y Cantidad de Calor
200 g
600 g
200C
200C
220C
300C
El efecto del calor en latemperatura depende de la
cantidad de materia
calentada.
La misma cantidad de calor es aplicada a cada masa de
agua en la figura.
El recipiente con másagua experimenta un
menor incremento de
temperatura.
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Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia es elcalor requerido para elevar su temperatura en
un grado.
Plomo Vidrio Al Cu Fe
Capacidad calorífica en función del tiempo para calentar
de cero to 1000C. Cuál tiene la mayor capacidad
calorífica?
37 s 52 s 60 s 83 s 90 s
1000C 1000C 1000C 1000C 1000C
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Capacidad Calorífica (Cont…
Plomo Vidrio Al Cu Fe
Las bolas de hierro y cobre funden la parafina y caen al
fondo; las otras tienen menor capacidad calorífica.
Todas colocadas a 1000C sobre una barra de
parafina
Plomo Vidrio Al Cu Fe
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Calor Específico
El calor específico de un material es lacantidad de calor necesaria para elevar un
grado la temperatura de una unidad de masa.
;Qc Q mc t
m t
Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K
Cobre: c = 0.094 cal/g C0 o 390 J/kg K
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Comparación de Unidades de Calor: Cuántocalor se necesita para elevar 1-kg de agua de00 to 1000C?
La masa de un kg de agua es:1 kg = 1000 g = 0.454 lbm
1 kg
Q mc t
Para el agua: c = 1.0 cal/g C0
o 1 Btu/lb F0 or 4186 J/kg K
1 lbm = 454 g
El calor requerido es:10,000 cal 10 kcal
39.7 Btu 41, 860 J
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Procedimiento para la Solución deProblemas
;Q
c Q mc t m t
Agua: c = 1.0 cal/g C0 o 1 Btu/lb F0 o 4186 J/kg K
1. Lea cuidadosamente el problema y dibuje un boceto.
2. Haga una lista de todas las cantidades dadas
3. Determine que debe ser encontrado.
4. Recuerde la ley o fórmula adecuada y constantes a aplicar.
5. Determine que debe encontrar.
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Ejemplo 1: Un taza de cobre para caféde 500-g se llena con 200-g de café.Cuánto calor se require para calentar lataza y el café de 20 a 960C?
1. Dibuje un boceto.
2. Escriba la información dada.
Masa taza mm = 0.500 kg
Masa café mc = 0.200 kg
Temperatura Inicial del café y la taza: t 0 = 200
CTemperatura final del café y la taza: t f = 96
0C
Calor Total para elevar la
temperatura del café (agua) y taza a 960
C.
3. Que va a encontrar :
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t = 960C - 200C= 76 C0
Agua: (0.20 kg)(4186 J/kgC0
)(76 C0
)Taza: (0.50 kg)(390 J/kgC0)(76 C0)
Q T = 63,600 J + 14,800 J QT = 78.4 kJ
7. Sustituya la info y resuelva el
problema:
Q T = m t c t t + m c c c t
Cobre: ct = 390 J/kg C0
Café (agua): cc = 4186 J/kg C0
Ejemplo 1(Cont.): Cuánto calor se necesitapara calendar la taza y el café de 20 a 960C?m t = 0.2 kg; m c = 0.5 kg.
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Acerca de las unidades
La sustitución de unidades debe ser consistente con losvalores escogidos del calor específico.
Q = m w c w t
Por ejemplo: Agua cc = 4186 J/kg C0 o 1 cal/g C0
Las unidades para Q, m, y t
deben ser consistentes conaquellas escogidas para c.
Si usa 4186 J/kg C0 para c,
entonces Q debe estar en joules, y m en kilograms.
Si usa 1 cal/g C0 para c,
entonces Q debe estar encalorias, y m es gramos.
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Conservación de la Energía
Siempre que se produzca una transferencia decalor dentro de un sistema, el calor perdido por
el cuerpo más caliente debe ser igual al calor
ganado por el cuerpo más frío:
Hierro
caliente
Agua
fría
Equilibrio Térmico
(Calor perdido) = (Calor Ganado)
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Ejemplo 2: Un puñado de cobrese calienta a 900C y se coloca en80 g de agua en un recipiente
aislado a 100
C. Si la temperaturade equilibrio es 180C, cuál es lamasa del cobre?
Cu 90
0
100
agua
Aislante
te= 180Cc
w
= 4186 J/kg C0; cs
= 390 J/kg C0
mw = 80 g; t w= 100C; t s = 90
0C
Calor perdido Cu = Calor Ganado agua
m sc s(900C - 180C) = m w c w (180C - 100C)
Nota: Las diferencias de Temperatura [Alta - Baja] siempre en
valores absolutos (+) pérdida y ganancia.
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2679 J0.0954 kg
28,080 J/kg
sm ms = 95.4 g
ms(390 J/kgC0)(72 C0) = (0.080 kg)(4186 J/kgC0)(8 C0)
m sc s(900C - 180C) = m w c w (18
0C - 100C)
900 Cu
100
agua
Aislante
180C
Calor perdido Cu = Calor Ganado agua
Ejemplo 2: (Cont.)
80 g de Agua
ms = ?
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Cambio de Fase
Sólido Líquido Gas
Q = mL f Q = mLv
fusión
Vaporización
Cuando un cambio de fase ocurre, existe
únicamente un cambio en la energía potencial delas moléculas. La temperatura es constante
durante el cambio.
Términos: Fusión, vaporización, condensación,
calor latente, evaporización, punto de
congelamiento, punto de fusion, ebullición.
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Cambio de Fase
El calor latente de fusión (Lf ) de una sustanciaes el calor por unidad de masa requerido para
cambiar del estado sólido al líquido a
temperatura de fusión.
El calor latente de vaporización (Lv) de una
sustancia es el calor por unidad de masa
requerido para cambiar la sustancia delíquido a vapor a temperatura de ebullición.
Para Agua: Lf = 80 cal/g = 333,000 J/kg
Para Agua: Lv = 540 cal/g = 2,256,000 J/kg
f
Q L
m
v
Q L
m
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Fusión de un Cubo de Cobre
El calor Q requirido para fundir unasustancia a su temperatura de fusion
puede ser encontrado si la masa y
calor latente de fusión se conocen
Q = mL v
2 kgQ para
fundir el
cobre?
L f = 134 kJ/kg
Ejemplo: Para fundir
completamente 2 kg de cobre a10400C, necesitamos:
Q = mL f = (2 kg)(134,000 J/kg) Q = 268 kJ
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Ejemplo 3: Cuánto calor se necesita paraconvertir 10 g de hielo a -200C a vapor a 1000C?
Primero, veamos gráficamente el proceso:
temperatura
t
Qhielo
Vapor
sólo
-200C
00C
1000C
vapor y
agua
540 cal/g
Hielo y
agua
80 cal/gagua
sólo
1 cal/gC0
hielo vapor
chielo= 0.5 cal/gC
0
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t
Q-200C
00C
1000C
Ejemplo 3 (Cont.): Paso dos Q2 convertir 10 gde hielo a 00C en agua a 00C.
Derretir Q2 derrite 10 g of hielo a 0
0C: Q2 = mL f
80 cal/gHielo y
agua
Q2 = (10 g)(80 cal/g) = 800 cal
Q2 = 800 cal
Añadir a Q1
= 100 cal:
900 cal usadas hasta este
punto.
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t
Q-200C
00C
1000C
agua
sólo
1 cal/gC0
Ejemplo 3 (Cont.): Paso tres Q3 para cambiar10 g de agua a 00C en agua a 1000C.
00C to 1000C
Q3 para elevar agua de 00C a 1000C.
Q3 = mc t ; c w = 1 cal/gC0
Q3
= (10 g)(1 cal/gC0)(1000C - 00C)
Q3 = 1000 cal
Total = Q1
+ Q2
+ Q3= 100 +900 + 1000
= 1900 cal
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Ejemplo 3 (Cont.): Paso cuatro Q4 convertir 10g de agua a vapor a 1000C? (Q 4 = mL v )
Q-200C
00C
1000C
vaporización
Q4 para convertir toda el agua a 1000C
en vapor a 1000C. (Q = mL v )
Q4
= (10 g)(540 cal/g) = 5400 cal
100 cal
hie
agua
sólo
hie y
agua
800 cal1000
cal vapor y
agua
5400 cal Calor Total :
7300 cal
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Ejemplo 4: Cuántos gramos de hielo a 00Cse deben mezclar con cuatro gramos de
vapor para producer agua a 600
C?El hielo debe derretirse y entonces elevarse a
600C. El vapor debe condensarse y caer to
600C.
Calor Total Gan = Calor Total Perdm i L f + m i c w t = m s L v + m s c w t
Nota: Todas las pérdidas y ganancias son valores absolutos
( positivos).Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC
0)(60 C0 - 00C )
Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(100 C0 - 600C )
Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC0)(60 C0)
Total Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(40 C0)
mi = ?
4 gte = 60
0C
hielo
vapor
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Total Gan: mi(80 cal/g) + mi(1 cal/gC0)(60 C0)
Total Pérd: (4 g)(540 cal/g) + (4 g)(1 cal/gC0)(40 C0)
mi = ?
4 g
te = 600C
80m i + 60m i = 2160 g +160 g
Calor Total Gan = Calor Total Perd
2320 g
140i
m m i = 16.6 g
Ejemplo 4 (Cont…)
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Ejemplo 5: Cincuenta gramosde hielo se mezclan con 200 g
de agua inicialmente a 700
C.Encuentre la temperatura deequilibrio de la mezcla.
El hielo se derrite y alcanza t e
El agua cae de 70 a t e.
Calor Gan: mi L f + micwt ; t = t e - 00C
Ganado = 4000 cal + (50 cal/g)t e
Gan = (50 g)(80 cal/g) + (50 g)(1 cal/gC0
)(te - 00
C )
00C 700C
t e = ?
50 g 200 g
hielo agua
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Ejemplo 5 (Cont.):
00C 700C
t e = ?
50 g 200 gGan = 4000 cal + (50 cal/g)t e
Pérd = (200 g)(1 cal/gC0)(700C- te )
Calor Pérd = m w c w t
Pérd = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e
t = 700C - t e [alta - baja]
Calor Ganado debe ser igual al Calor Pérdido:
4000 cal + (50 cal/g)t e = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e
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00C 700C
t e = ?
50 g 200 g
Simplificando, : (250 cal/C0) t e = 10,000 cal
0
0
10,000 cal40 C
250 cal/Cet
t e = 400C
Calor Ganado deber ser igual al Calor Perdido:
4000 cal + (50 cal/g)t e = 14,000 cal - (200 cal/C0) t e
Ejemplo 5 (Cont.):
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Resumen Unidades de Calor
Una caloría (1 cal) es la cantidad de calorrequerida para elevar la temperature de 1 g deagua en 1 0C.
Una kilocaloria (1 kcal) es la cantidad de calorrequerida para elevar la temperature de 1 kgde agua en 1 0C.
Una Unidad Británica térmica (Btu) es lacantidad de calor requerida para elevar latemperature de 1 lb de agua agua en 1 0F.
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Resumen: Cambio de Fase
El calor latente de fusión (Lf ) de una sustanciaes el calor por unidad de masa requerido para
cambiar la sustancia de sólido a líquido a su
temperature de fusión.
Para Agua: Lf = 80 cal/g = 333,000 J/kg
f
Q L
m
El calor latente de vaporización (Lv) de una
sustancia es el calor por unidad de masa
requerido para cambiar la sustancia de líquidoa sólido a su temperatura de ebullición.
Para Agua: Lv = 540 cal/g = 2,256,000 J/kg
v
Q L
m
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Resumen: Capacidad EspecíficaCalorífica
La capacidad específica calorífica(calor específico) de un material esla cantidad de calor para elevar la
temperatura de una unidad de masaun grado.
;
Q
c Q mc t m t
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Resumen: Conservación deEnergía
Siempre que haya transferencia decalor dentro de un sistema, el calor
perdido por el cuerpo más calientedebe ser igual al calor ganado por elcuerpo más frío:
(Calor Perdido) = (Calor Ganado)
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Resumen de Fórmulas:
;Q
c Q mc t m t
(Calor Perdido) = (Calor Ganado)
;v v
Q L Q mL
m
; f f
Q L Q mL
m
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FINAL:
Cantidad de Calor