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8/19/2019 F_S10_Calorimetría - Cambio de Fase
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177SAN MARCOS REGULAR 2009 - III FÍSICA10
TEMA
CALORIMETRÍA -
CAMBIO DE FASE
FÍSICA – TEMA 10
CALORIM ETRÍA
DEFIN ICIÓN El calor es la energía que se transmite de un cuerpo hacia
otro debido a que poseen diferentes temperaturas.
El calor es una forma de energía en tránsito (de frontera a
frontera) que intercambian los cuerpos debido
exclusivamente a la diferencia de temperaturas entre ellos.
El calor es una energía no almacenable, y sólo existe mientras
exista una diferencia de temperaturas.
I . CANTIDAD DE CALOR (Q) Es la medida de energía en forma de calor, que ingresa
o sale de un cuerpo el calor es un flujo energético que
fluye espontáneamente desde el cuerpo de mayor
temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura.
II . ENERGÍA IN TERNA Actu alme nt e se con si de ra que cuand o cr ec e la
temperatura de un cuerpo, la energía que posee en su
interior, denominada "energía interna", tambien
aumenta. Si este cuerpo se pone en contacto con otro
de más baja, temperatura, habrá una transferencia de
energía del primero al segundo, energía que se
denomina "calor" por lo tanto el concepto moderno de
"calor" es el siguiente: calor es la energía que se transmite
de un cuerpo a otro, en virtud unicamente de la
diferencia de temperatura entre ellos.
Es importante observar, incluso, que la energía interna
de un cuerpo puede aumentar sin que el cuerpo reciba
calor, siempre que reciba otra forma de energía. Cuandopor ejemplo, agitamos una botella con agua, a pesar
de que el agua no haya recibido calor, su temperatura
aumenta. El aumento de energía interna en este caso
se produjo debido a la energía mecánica transferida al
agua cuando se efectúa el trabajo de agitar la botella.
A: cuerpo caliente.
B: cuerpo frio
"Calor es la energía que se transmite de un cuerpo a
otro, en virtud únicamente de una diferencia
temperatura entre ellos".
III .UNIDADES DE LA CANTIDAD DE CALOR Caloría: Es la cantidad de calor que se debe entregar
o sustraer a una gramo de agua para que su
temperatura aumente o disminuya en 1°C.
En los sistemas actuales, la importancia del calor, de la temperatura y su propagación son evaluadas muy intensamente.
Por ejemplo la radiación que producen los cuerpos negros.
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178FÍSICA SAN MARCOS REGULAR 2009 - III10
TEMA
IDEAS FUERZA
La capacidad calorífi ca (c) de un cuerpo es la
cantidad de calor que necesita toda su masa para que la temperatura varie en una unidad de grado.
Equi val enci a:
1 Kcal = 1000 calorías
1 cal = 4,2 Joules
IV.EQU IVALENTE M ECÁNICO DEL CALOR De los diversos experimentos realizados por James P.
Joule, uno de ellos se volvió muy conocido y destacóentre los demás. En el experimento Joule dejaba caer
un cuerpo de peso conocido, atado a una cuerda, de
manera que durante su caída podía accionar un sistema
de paletas, el cual entraba en rotación y agitaba el agua
contenida en un recipiente aislado térmicamente. Joule,
observó que la fricción de las paletas con el agua,
producía un incremento de la temperatura en el agua.
Del principio de conservación de la energía (la energía
no se crea ni se destruye solo se transforma), llegó a la
siguiente conclusión:
"La energía mecánica, se transforma en energía interna".
EM Q
Si la energía mecánica (EM) se mide en "Joules" y la
cantidad de calor en calorías entonces la equivalencia es:
1 caloría = 4,2 Joules
Asi pues, la energía interna de un cuerpo se puede
aumentar realizando trabajo sobre él.
Ahora sabemos que ademas de la "energía mecánica", hay
otro tipo de energía, la "interna". La energía mecánica se
transforma en energía interna, donde el intermediario es
el calor. Por ejemplo, si soltamos una bola metálica de
cierta altura, inmediatamente después del choque medimos
la temperatura de la bola, advertimos que se ha calentado.Energia Mecánica Calor Energía Interna
A. Capacidad cal orí fi ca (C)Es característica de un cuerpo en particular, se define
como la cantidad de calor que se debe entregar o
sustraer a cada unidad de masa de una sustancia, tal
que, su temperatura varie en la unidad.
QC
T
unidades:
cal J,
C C
B. Calor especí fi co (Ce)Es caracteristica de una sustancia homogénea, se
define como la cantidad de calor que se debeentregar o sustraer a cada unidad de masa de unasustancia, tal que su temperatura varíe en la unidad.
QCe
m. T
unidades:cal J
.g. C kg. C
C. Cal or sensibl e (Q)
Es aquella cantidad de energía interna que
transitoriamente cede o recibe un cuerpo o sustancia
a través de sus fronteras debido a una diferencia de
temperaturas entre él y el cuerpo o medio que la rodea.
El calor sensible, es la cantidad de calor que el cuerpo
utiliza integramente para aumentar o disminuir su
energía interna, esto quiere decir , para aumentar o
disminuir su temperatura. No hay cambio de fase.
Q m.Ce. T unidades: calorías, Joules.
Regla práctica
Cuando una sustancia recibe o cede una cierta cantidad
de calor, se representa del siguiente modo:
Q1
Q2
10 ºC 30 ºC 60 ºC
Significa que la temperatura varía de 10°C a 30°C cuandorecibe una cantidad Q1 de energía calorifica y varía de30°C a 60 °C cuando recibe Q2.Cuando pierde o cede energía calorífica el sentido de lasflechas son opuestas (antihorario).
Calor específico de algunas sustancias
AguaHielo
Vapor de agua Aluminio VidrioHierroLatónCobrePlataMercurioPlomo
1,000,50
0,500,220,200,110,0940,0930,0560,0330,031
Sustancia C.e (cal/g ºC)
V. FORMAS DE PROPAGACIÓN DEL CALOR A. Conducci ón
Suponga que una persona sostiene uno de losextremos de una barra metálica, y el otro extremo
se pone en contacto con una flama.Los átomos o moléculas del extremo calentado porla flama, adquieren una mayor energía de agitación.El calor se transmite por conducción a lo largo de la
IDEAS FUERZA
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de masa de la sustancia tal que su temperatura varie en una unidad de grado.
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TEMA
Corriente deconvección
En el interior del líquido seproduce un f lu jo demoléculas debido a ladiferencia de densidades, elagua caliente es menosdensa que el agua fría.
barra debido a la agitación de los átomos y lasmoléculas del sólido, despues de cierto tiempo, lapersona que sostiene el otro extremo percibirá unaelevación de temperatura en ese lugar.Por lo tanto, hubo una transmisión de calor a lo largode la barra, que continuará mientras exista unadiferencia de temperaturas entre ambos extremos.
Este proceso de transmisión de calor se denomina"conducción térmica". Los metales son buenos"conductores térmicos", mientras que otrassustancias como corcho, porcelana, madera, aire,hielo, lana, papel , etc.., son "aislantes térmicos", es
decir, malos conductores del calor.
El calor se transmite por conducción a lo largodel sólido, debido a la agitación de los
átomos y las moléculas del sólido.
B. Convecci ón
Cuando un recipiente conteniendo agua es colocadosobre una flama, la capa de agua del fondo recibecalor por conducción. Por consiguiente, el volumende esta capa aumenta, y por tanto su densidad
disminuye, haciendo que se desplace hacia la partesuperior del recipiente para ser reemplazada por aguamás fria y más densa, proveniente de tal regiónsuperior. El proceso continúa, con una circulacióncontinua de masas de agua más calientes hacia arriba,y de masa de agua más fria hacia abajo, movimientosque se denominan "corrientes de convección".Suponga que un cuerpo caliente (una lámparaeléctrica por ejemplo) se coloca en el interior deuna campana de vidrio, donde se hace el vacío. Untermómetro, situado en el exterior de la campana,indicará una elevación de temperatura, mostrandoque existe transmisión de calor a través del vacioque hay entre el cuerpo caliente y el exterior.Evidentemente, esta transmición no pudo haberse
efectuado por conducción ni por convección. En estecaso, latransmisióndel calor sellevó a cabom e d i a n t eo t r op r o c e s o ,denominado"radiacióntérmica". Elcalor que
nos llega del Sol se debe a este mismo proceso, yaque entre el Sol y la Tierra existe un vacio.Todos los cuerpos calientes emiten radiacionestérmicas que cuando son absorvidos por algún otrocuerpo, provocan en él un aumento de temperatura.Estas radiaciones, así como las ondas de radio, la luz,los rayos "x", etc., son ondas electromagnéticas
capaces de propagarse en el vacio.De manera general, el calor que recibe una personacuando está cerca de un cuerpo caliente, llega hastaella por los tres procedimientos: conducción,convección y radiación. Cuando mayor sea latemperatura del cuerpo caliente, tanto mayor será lacantidad de calor transmitida por radiación, como sucede
cuando uno se halla cerca de un horno o una fogata.
Aislante térmico
"Un pájaro eriza sus plumaspara mantener aire entreellas con lo cual evita latransferencia de calor a sucuerpo hacia el ambiente".
VI.EQU IL IBRIO TÉRMICO Cuando en un recipiente cerrado y aislado térmicamenteson introducidos dos cuerpos uno caliente y el otro frío, seestablece un flujo de calor entre los cuerpos, de maneraque disminuya la temperatura del cuerpo caliente debidoa que pierde calor y el otro aumenta su temperatura debido
a que gana calor. El flujo de calor entre los cuerpos cesarácuando los cuerpos alcanzan temperaturas iguales,entonces se dice que han alcanzado el "equilibrio térmico",definiéndose el equilibrio térmico como aquel estado en el
cual no existe flujo de calor.
A BQ
T A TB
T A > TB
Antes
A B
Q = 0
Te
Te
Después
Propagación en el vacío
vacío c a
l o r
"El calor se propaga en el vacío por radiación"
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TEMA
Del Sol a la Tierra"El Sol emite calor
en forma de
radiación térmica,
mediante ondas
electromagnéticas,
llegando a la Tierra
a través del vacío".
Calorímetro de
mezclas
Es aquel recipiente
cerrado y aislado
térmicamente que
se uti l iza para
determinar el calor
específico de los
cuerpos (l íquido,
sólido, gas).
Sólido
Agua
Termómetro
Aislante térmico
VI I .TEOREMA FUNDAMENTAL DE LACALORIMETRIA"Cuando mezclamos dos o más cuerpos a diferentestemperaturas, ocurre que el calor que ganan los cuerposfrios lo pierden los cuerpos calientes". Del principio deconservación de la energía se cumple que:
Qganado = QperdidoNota:La masa de una sustancia es directamente proporcional a
su volumen.
IDEAS FUERZA
Se recomienda que, la cantidad de calor sensible tenga módulo posit ivo, para que esto ocurra la variación de temperatura debe ser posit ivo.
mayor menorT T – T
De otro modo, se reemplaza el valor absoluto del cambio de temperatura. T
DEFIN IC IÓN Es un proceso en que una sustancia experimenta un
reordenamiento de sus átomos y moléculas adoptando
nuevas propiedades.
Es un hecho bien conocido que en la naturaleza las
sustancias se presentan en tres fases diferentes,
denominadas "fase sólida, fase líquida y fase gaseosa". La
presión y la temperatura a las que una sustancia es sometida,
determinarán la fase en la cual pueda presentarse.
Cuando una sustancia pasa de una fase a otra, decimos
que sufre un "cambio de fase".
A. Sól i doEn esta fase, los átomos de la sustancia se encuentran
muy cerca unos de otros y unidos por fuerzas eléctricas
relativamente intensas. Tales corpúsculos no sufren
traslación en el sólido, pero que se encuentran en
constante movimiento de vibración (agitación térmica)
alrededor de una posición media de equilibrio. Debido a la
fuerte ligación o unión entre los átomos, los sólidos poseen
algunas caracteristicas, como el hecho de presentar forma
propia y de ofrecer cierta resistencia a las deformaciones.
Modelo de laestructura internade un sólido (cristal),observe la organización
y la separación delas moléculas
En la naturaleza, casi todos los sólidos se presentan enforma de "cristales", es decir, los átomos que los
CAMBIO DE FASE
constituyen se encuentran organizados según un modeloregular, en una estructura que se repite ordenadamenteen todo el sólido y se denomina "red cristalina".
B. Lí qui doLos átomos de una sustancia líquida están más alejadosunos de otros, en comparación con los de un "sólido", ypor consiguiente, las fuerzas de cohesión que existenentre ellos son más débiles. Así, el movimiento de
vibración de los átomos se hace con más libertad,permitiendo que experimenten pequeñas traslaciones
en el interior del líquido. A ello se debe que los líquidos
pueden escurrir o fluir con notable facilidad, no ofrecenresistencia a la penetración, y toman la forma del
recipiente donde se hallan contenidos.
C. Gas
Los átomos o moléculas de una sustancia en estadogaseoso, están separados una distancia mucho mayorque en los sólidos y en los líquidos, siendo prácticamentenula la fuerza de cohesión entre dichas partículas. Poreste motivo se mueven libremente en todas lasdirecciones, haciendo que los gases no presenten unaforma definitiva y ocupen siempre el volumen total delrecipiente donde se hallan contenidos.
M odelo de la estr uctura
interna de un líquido (cristal ),observe la organización y la
separación de las moléculas.
IDEAS FUERZA
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181SAN MARCOS REGULAR 2009 - III FÍSICA10
TEMA
PROCESOS
A)Fusión: cambio de sólido a líquido.B)Solidificación: cambio de líquido a sólido.C) Vaporización: cambio de líquido a Gas.D)Condensación: cambio de gas a líquido.E) Sublimación Directa: cambio de sólido a gas, sin pasar
por la fase líquida.F) Sublimación Inversa: cambio de gas a sólido, sin pasar
por la fase líquida.
CAMBIO DE FASE Cuando entregamos energía calorífica a un cuerpo y se eleva
su temperatura, ya sabemos que hay un aumento en laenergía de agitación de sus átomos. Este incremento haceque la fuerza de cohesión de los átomos se altere, pudiendoocasionar modificaciones en su organización y separación.Es decir, la absorción de energía calorífica por parte de uncuerpo, puede provocar en él un cambio de fase.Durante el cambio de fase la sustancia experimenta unreordenamiento de sus átomos y moléculas, adoptandonuevas propiedades y perdiendo otras. El cambio de fasede una sustancia se realiza a una determinada condición depresión y temperatura constante.
LEYES DE LA FUSIÓN 1. A una presión dada, la temperatura a la cual se produce
la fusión (punto de fusión) tiene un valor determinadopara cada sustancia.
2. Si un sólido se encuentra a su temperatura de fusión esnecesario proporcionales calor para que produzca sucambio de fase. La cantidad de calor que debesuministrársele por unidad de masa, se denomina "calorlatente de fusión", el cual es característico de cadasustancia.
3. Durante la fusión, la temperatura del sólido permanececonstante. Esto significa que el calor que se suministraal sólido, se emplea para el rompimiento de la redcristalina.
VAPORI ZAC IÓN El cambio de fase líquido a gaseoso puede producirse dedos maneras
1. Por "evaporización", cuando el cambio se realizalentamente, a cualquier temperatura. La ropa mojada,por ejemplo, se seca debido a la evaporización del aguaen contacto con el aire.
2. Por "ebullición", cuando el cambio se realiza rápidamentea una temperatura especifica para cada líquido. El aguade una tetera sólo comienza a hervir, o sea, únicamenteentra en ebullición, cuando su temperatura alcanza unvalor igual a 100 °C a la presión de 105 Pa.
LEYES DE LA EBULL ICIÓN 1. A determinada presión, la temperatura a la cual se
produce la ebullición (punto de ebullición) es especifica
para cada sustancia.
PlatinoPlataPlomo Azufre AguaMercurio Alcohol etílicoNitrógeno
17759613271190 –39 –115 –210
Sustancia T(ºC) L(cal/g)
27215,813802,8256,1
Puntos defusión
y calorlatente defusión a 1atm depresión
A B
La rapidez deevaporizaciónde un liquidoes mayorcuanto másgrande sea elárea de susuperficielibre.
2. Si un líquido se encuentra en su punto de ebullición es
necesario suministrarle calor para que el proceso semantenga. La cantidad de calor que debe porporcionarse,
por unidad de masa se denomina "calor latente devaporización", el cual es característico de cada sustancia.
3. Durante la ebullición, a pesar de que se suministra calor allíquido su temperatura permanece constante, y el vaporque se va formando está a la misma temperatura del líquido.
IN FLU ENCIA DE LA PRESIÓN EN L ATEM PERATU RA DE EBU L L I C I ÓN Cualquier sustancia al vaporizarse aumenta su volumen. Poreste motivo, un incremento en la presión ocasiona unaumento en la temperatura de ebullición, pues una presiónmás elevada tiende a dificultar la vaporización.
IDEAS FUERZA
M odelo de la estr uctura
interna de un gas (cristal ),observe la organización y la
separación de las moléculas.
IDEAS FUERZA
El tránsito de una sustancia de una fase a otra se
denomina cambio de fase.
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TEMA
Problema 1
Calcular la cantidad de calor que recibió
una pieza de acero de 5kg de masa alcalentarla en 600°C. El "Ce" del auro
es: 500 j/kg°C
San Mar cos 1997
Nivel fáci l
A) 280kcal B) 390kcal C) 360kcal
D) 250kcal E) 380kcal
Resolución
Observa que las unidades no son las
tradicionales, sino las que actualmente
se usan:
Q = m Ce. T
Q = (5kg) (500 J/kg°C)(600°C)
Q 1500 kJ
Si el calor debe expresarse en calorías
use: 1J = 0,24 Cal
Q = 1500k (0,24 cal)
Q 360 kcal
Respuesta: C) 360 kcal
Problema 2
Un sólido uniforme se divide en dos
partes de masa m1 y m2. Si ambaspartes reciben la misma cantidad del
calor, la masa m, eleva su temperatura
en un grado, mientras que la masa m2
eleva su temperatura en sus grados.
La razón de las masas1
2
m
m es:
San Mar cos 2006
Nivel fáci l
A)1
2
m2
m B)
1
2
m4
m C)
2
1
m3
m
D)1
2
m
3m E)2
1
m
2m
Resolución
1 1
2 2
m Qm
m Q
Como es el mismo sólido
Ce1 = Ce2Calor recibido por m1: Q1 = m1Ce( T1)
Calor recibido por m2: Q1 = m2 Ce( T2)
Por dato Q1 = Q2m1Ce(1) = m2Ce(3)
1
2
m3
m
Respuesta: D)1
2
m3
m
Problema 3
¿Cuánto calor sería necesario para
vaporizar 200g de agua a 100°C?San Mar cos 2004
Nivel fáci l
A) 103kcal B) 106kcal C) 102kcal
D) 105kcal E) 108kcal
Resolución
m =2H O
200g
Ce = 1 cal/g°C
Q = m1; L = 540calg
Q = 200 . 540Q = 108 kcal
Respuesta: E) 108 kcal
NIVEL I
1. Indicar verdadero (V) o falso (F)
según corresponda:
I. El calor es la energía que fluye
espontáneamente del cuerpo
de mayor temperatura al
cuerpo de menor
temperatura.
II. La unidad de calor en el S.I.de Joule.
III. El calor específico de una
sustancia es la cantidad de
energía que debe añadirse a
una unidad de masa para que
su temperatura se incremente
en una unidad.
A) VVF B) VFV
C) FVV D) VVV
E) VFF
2. Indicar verdadero (V) o falso (F);
según corresponda:
I. Si un cuerpo disminuye su
temperatura, disminuye su
energía térmica.
II. Si dos cuerpos están en
contacto y se encuentran a
diferentes temperaturas fluye
calor espontáneamente del
cuerpo mas caliente al más frío.
III. La temperatura es una energía
en tránsito.
A) VFV B) VVF
C) FVV D) FFV
E) FVF
3. ¿Qué cantidad de calor se necesita
para elevar la temperatura de 150 g
de agua de 18,5ºC a 72ºC?
A) 8125 cal B) 7025 calC) 8025 cal D) 7225 calE) 9025 cal
4. Un bloque metálico de mediokilogramo absorve 1200 caloríascuando su temperatura se elevade 293 K a 303 K. Calcular el calorespecífico del metal en cal/gºC.
A) 0,12 B) 0,18 C) 0,24D) 0,36 E) 0,42
NIVEL II
5. Por un alambre de cobre de 165 gde masa pasa una corrienteeléctrica durante un corto tiempo,elevando su temperatura de 23ºCa 43ºC. ¿Qué cantidad de energíaes transferida por la corrienteeléctrica? (CeCu = 390 J/kg.K)
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184FÍSICA SAN MARCOS REGULAR 2009 - III10
TEMA
A) 1312 J B) 1416 JC) 1532 J D) 1618 JE) 1287 J
6. Un bloque de hierro de 800 g sesaca de un horno a 270ºC y seenfría a la temperatura ambiente
(20ºC). ¿Qué cantidad de calorabsorbe el medio ambiente?(CeFe = 470 J/kg.K) A) 94 kJB) 72 kJC) 64 kJD) 162 kJE) 86 kJ
7. Indique la verdad (V) o falsedad(F) de las siguientes proposiciones:I. El calor es energía que puede ser
almacenada en un recipiente.II. El calor es energía en tránsito que
una vez recibida se puedealmacenar como energía térmica.
III. El calor fluye espontáneamentede un cuerpo con unatemperatura más elevada a otrocon una temperatura menor.
A) VVV B) VFVC) FVV D) FVFE) VFF
8. Un recipiente contiene 400 g deagua a 20ºC. Si se vierten 200 gde agua a 80ºC, ¿cuál es la tem-peratura de equilibrio?
A) 30ºC B) 32ºC C) 36ºCD) 40ºC E) 42ºC
9. Un calorímetro de 50 g de masa ycalor específico 0,18 cal/(gºC) seencuentra a 20ºC. Si se colocan 200 gde agua a 60ºC, ¿cuá es la tempe-
ratura de equilibrio térmico? A) 46,8ºC B) 48,2ºCC) 52,3ºC D) 58,2ºCE) 56,4ºC
10. Una broca de fierro que tiene unamasa de 0,2 kg es calentada hasta450ºC, luego se sumerge en unrecipiente con agua a 20ºC. ¿Quémasa de agua debe haber en elrecipiente ideal para que latemperatura final no supere los80ºC (CeFe = 0,112cal/(g.ºC))? A) 0,112 kg B) 0,138 kg
C) 0,241 kg D) 0,316 kgE) 0,276 kg
11. Si colocamos 250 g de agua a 0ºCen un refrigerador, ¿cuántascalorías se deben extraer parasolidificarlo totalmente a 0ºC? A) 30 kcal B) 25 kcalC) 20 kcal D) 40 kcalE) 10 kcal
12. ¿Cuántas calorías necesitan 200 gde hielo a 0ºC para convertirse enagua a 30ºC?
A) 22 kcal B) 26 kcalC) 28 kcal D) 30 kcalE) 16 kcal
NIVEL II I
13. Si queremos vaporizar totalmente
400 g de agua que se encuentrana 60ºC, ¿cuántas calorías se necesi-tará? A) 16 kcal B) 208 kcalC) 216 kcal D) 232 kcalE) 432 kcal
14. ¿Cuántas calorías se necesitan parafusionar totalmente 60 g de hieloque se encuentra a 0ºC? A) 4,2 kcal B) 4,8 kcalC) 7,2 kcal D) 6,4 kcalE) 3,0 kcal
15. Una sustancia tiene como calorlatente de fusión 150 cal/g ytemperatura de fusión 70ºC ycalor específico 2 cal/gºC. Sitenemos 400 g de esta sustanciaa 10ºC en fase sólida, ¿cuántascalorías se necesitará parafusionarla totalmente?
A) 96 kcalB) 80 kcalC) 64 kcalD) 112 kcal
E) 108 kcal
1. El calor se transfiere espontáneamente de _____
_______________.
2. En el Sistema Internacional (S. I.) la unidad de calor
es: _________________.
3. Cuando aumenta la temperatura de un cuerpo,
entonces su energía interna _________________.
4. El calor se transmite por conducción en _________
_____________________.
5. El calor especifico de una sustancia es:
_______________________________________
Marca verdadero (V) o falso (F)
6. El cambio de fase es un proceso isotérmico ( )
7. El cambio de fase de sólido a gas se denomina
sublimación ( )
8. La convección es la transferencia de calor en los líquidos
( )
9. A una presión determinada, la temperatura a la cual
se produce la fusión tiene un valor determinado para
cada sustancia ( )
10.El calor se propaga en el vació por radiación ( )
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