Calor

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  • Calor

    El sol suele dar una sensacin de calor.

    Esquema de la transferencia de calor por conduccin.

    El calor se dene como la transferencia de energa tr-mica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zo-nas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintastemperaturas, sin embargo en termodinmica general-mente el trmino calor signica transferencia de energa.Este ujo de energa siempre ocurre desde el cuerpo demayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatu-ra, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerposse encuentren en equilibrio trmico (ejemplo: una bebidafra dejada en una habitacin se entibia).La energa calrica o trmica puede ser transferida pordiferentes mecanismos de transferencia, estos son laradiacin, la conduccin y la conveccin, aunque en lamayora de los procesos reales todos se encuentran pre-sentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que loscuerpos no tienen calor, sino energa trmica. La ener-ga existe en varias formas. En este caso nos enfocamosen el calor, que es el proceso mediante el cual la energase puede transferir de un sistema a otro como resultadode la diferencia de temperatura.

    Montaje experimental para la determinacin del equivalente me-cnico del calor.

    1 Historia del concepto

    Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del ambiente enla variacin de la temperatura de un cuerpo por mediode un uido invisible llamado calrico. Este se producacuando algo se quemaba y, adems, que poda pasar de uncuerpo a otro. La teora del calrico armaba que una sus-tancia con mayor temperatura que otra, necesariamente,posea mayor cantidad de calrico.Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecie-ron que el trabajo poda convertirse en calor o en un in-cremento de la energa trmica determinando que, sim-plemente, era otra forma de la energa.

    2 Calor especco

    El calor especco es la energa necesaria para elevar 1 Cla temperatura de un gramo de materia. El concepto decapacidad calorca es anlogo al anterior pero para unamasa de un mol de sustancia (en este caso es necesarioconocer la estructura qumica de la misma).El calor especco es un parmetro que depende del ma-terial y relaciona el calor que se proporciona a una masadeterminada de una sustancia con el incremento de tem-peratura:

    1

  • 2 3 CAMBIOS DE FASE

    Q = m

    Z TfTi

    c dT

    donde:

    Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor especco del sistema. Ti y Tf son las temperaturas inicial y nal del sistemarespectivamente.

    dT es el diferencial de temperatura.

    Las unidades ms habituales de calor especco son J /(kg K) y cal / (g C).El calor especco de un material depende de su tempe-ratura; no obstante, en muchos procesos termodinmicossu variacin es tan pequea que puede considerarse queel calor especco es constante. Asimismo, tambin sediferencia del proceso que se lleve a cabo, distinguindo-se especialmente el calor especco a presin constante(en un proceso isobrico) y calor especco a volumenconstante (en un proceso isocrico).

    Q = m c TDe esta forma, y recordando la denicin de calora, setiene que el calor especco del agua es aproximada-mente:

    cH2O = 1cal

    g C

    2.1 Calor especco molarEl calor especco de una sustancia est relacionado suconstitucin molecular interna, y a menudo da informa-cin valiosa de los detalles de su ordenacin moleculary de las fuerzas intermoleculares. A altas temperaturas lamayora de slidos tienen capacidades calorcas molaresdel orden de cpcv3R (ver Ley de Dulong-Petit, siendoR la constante universal de los gases ideales) mientras quela de los gases monoatmicos tiende a cp5R/2 y dierede la de gases diatmicos cp7R/2 . En este sentido, confrecuencia es muy til hablar de calor especco molardenotado por c, y denido como la cantidad de energanecesaria para elevar la temperatura de un mol de unasustancia en 1 grado es decir, est denida por:

    cm =1n

    dQdT QnT

    donde n indica la cantidad de moles en la sustancia pre-sente. Esta capacidad usualmente es funcin de la tempe-ratura cm=cm(T ) .

    2.2 Capacidad calorcaLa capacidad calorca de una sustancia es una magnitudque indica la mayor o menor dicultad que presenta dichasustancia para experimentar cambios de temperatura bajoel suministro de calor. Se denota por C , se acostumbra amedir en J/K, y se dene como:

    C = QT

    Dado que:

    c = QmT =) mc = QT =) C = mc

    De igual forma se puede denir la capacidad calricamolar como:

    Cn = nc

    3 Cambios de faseEn la naturaleza existen tres estados usuales de la ma-teria: slido, lquido y gaseoso. Al aplicarle calor a unasustancia, sta puede cambiar de un estado a otro. A es-tos procesos se les conoce como cambios de fase. Losposibles cambios de fase son:

    de estado slido a lquido, llamadofusin,

    de estado lquido a slido, llamadosolidicacin,

    de estado lquido a gaseoso, llamadoevaporacin o vaporizacin,

    de estado gaseoso a lquido, llamadocondensacin,

    de estado slido a gaseoso, llamadosublimacin progresiva,

    de estado gaseoso a slido, llamadosublimacin regresiva o deposicin,

    de estado gaseoso a plasma, llamadoionizacin.

    de estado plasma a gaseoso, llamadoDesionizacin

    3.1 Calor latenteUn cuerpo slido puede estar en equilibrio trmico conun lquido o un gas a cualquier temperatura, o que un l-quido y un gas pueden estar en equilibrio trmico entres, en una amplia gama de temperaturas, ya que se tratade sustancias diferentes. Pero lo que es menos evidentees que dos fases o estados de agregacin, distintas de

  • 3El agua en diferentes estados en equilibrio trmico en el ladogroenlands de la baha de Ban.

    una misma sustancia, puedan estar en equilibrio trmicoentre s en circunstancias apropiadas.Un sistema que consiste en formas slida y lquida de de-terminada sustancia, a una presin constante dada, puedeestar en equilibrio trmico, pero nicamente a una tempe-ratura llamada punto de fusin simbolizado a veces comotf . A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de ca-lor para poder fundir cierta cantidad del material slido,pero sin que haya un cambio signicativo en su tempe-ratura. A esta cantidad de energa se le llama calor defusin, calor latente de fusin o entalpa de fusin, y va-ra segn las diferentes sustancias. Se denota por Lf .El calor de fusin representa la energa necesaria paradeshacer la fase slida que est estrechamente unida yconvertirla en lquido. Para convertir lquido en slido senecesita la misma cantidad de energa, por ello el calorde fusin representa la energa necesaria para cambiar delestado slido a lquido, y tambin para pasar del estadolquido a slido.El calor de fusin se mide en cal / g.De manera similar, un lquido y un vapor de una mismasustancia pueden estar en equilibrio trmico a una tem-peratura llamada punto de ebullicin simbolizado por te .El calor necesario para evaporar una sustancia en estadolquido ( o condensar una sustancia en estado de vapor )se llama calor de ebullicin o calor latente de ebulli-cin o entalpa de ebullicin, y se mide en las mismasunidades que el calor latente de fusin. Se denota por Le.En la siguiente tabla se muestran algunos valores de lospuntos de fusin y ebullicin, y entalpas de algunas sus-tancias:

    4 Transmisin de calorEl calor puede ser transmitido de tres formas distintas:por conduccin, por conveccin o por radiacin.

    Conduccin trmica: es el proceso que se producepor contacto trmico entre dos ms cuerpos, de-bido al contacto directo entre las partculas indivi-duales de los cuerpos que estn a diferentes tempe-raturas, lo que produce que las partculas lleguen alequilibrio trmico. Ej: cuchara metlica en la tazade t.

    Conveccin trmica: slo se produce en uidos (l-quidos o gases), ya que implica movimiento de vo-lmenes de uido de regiones que estn a una tem-peratura, a regiones que estn a otra temperatura. Eltransporte de calor est inseparablemente ligado almovimiento del propio medio. Ej.: los calefactoresdentro de la casa.

    Radiacin trmica: es el proceso por el cual se trans-mite a travs de ondas electromagnticas. Implicadoble transformacin de la energa para llegar alcuerpo al que se va a propagar: primero de energatrmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energasolar.

    La conduccin pura se presenta slo en materiales sli-dos. La conveccin siempre est acompaada de la con-duccin, debido al contacto directo entre partculas dedistinta temperatura en un lquido o gas en movimiento.En el caso de la conduccin, la temperatura de calenta-miento depende del tipo de material, de la seccin delcuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica por qu algu-nos cuerpos se calientan ms rpido que otros a pesar detener exactamente la misma forma, y que se les entreguela misma cantidad de calor.

    Conductividad trmica

    La conductividad trmica de un cuerpo est dada por:

    Qt =

    ATL

    donde:

    Q es el calor entregado,t es el intervalo de tiempo durante el cual seentreg calor, es el coeciente de conductividad trmicapropio del material en cuestin,A es la seccin del cuerpo,L es la longitud, yT es el incremento en la temperatura.

    5 Medida experimental del calorPara determinar, de manera directa, el calor que se ponede maniesto en un proceso de laboratorio, se suele em-plear un calormetro. En esencia, se trata de un recipiente

  • 4 6 TERMODINMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR

    que contiene el lquido en el que se va a estudiar la varia-cin de energa por transferencia de calor y cuyas paredesy tapa (supuestamente adiabticas) deben aislarlo, al m-ximo, del exterior.Un termo de paredes dobles de vidrio, cuyas supercieshan sido previamente metalizadas por deposicin y quepresenta un espacio vaco entre ellas es, en principio, uncalormetro aceptable para una medida aproximada de latransferencia de calor que se maniesta en una transfor-macin tan sencilla como esta. El termo se llama vaso De-war y lleva el nombre del fsico y qumico escocs JamesDewar, pionero en el estudio de las bajas temperaturas.En la tapa aislante suele haber un par de oricios paraintroducir un termmetro con el que se evaluara el in-cremento (o decremento) de la temperatura interior dellquido, y un agitador para tratar de alcanzar el equilibriotrmico en su interior lo ms rpido posible, usando unsencillo mecanismo de conveccin forzada.No slo el lquido contenido en el calormetro absorbecalor, tambin lo absorben las paredes del calormetro.Lo mismo sucede cuando pierde calor. Esta intervencindel calormetro en el proceso se representa por su equi-valente en agua. La presencia de esas paredes, no ideales,equivale a aadir al lquido que contiene, los gramos deagua que asignamos a la inuencia del calormetro y quellamamos equivalente en agua. El equivalente en aguaviene a ser la cantidad de agua que absorbe o desprendeel mismo calor que el calormetro.

    5.0.1 Unidades de medida

    La unidad demedida del calor en el Sistema Internacionalde Unidades es la misma que la de la energa y el trabajo:el Joule.Otra unidad ampliamente utilizada para medir la canti-dad de energa trmica intercambiada es la calora (cal),que es la cantidad de energa que hay que suministrar aun gramo de agua para elevar su temperatura 1 C. Dife-rentes condiciones iniciales dan lugar a diferentes valorespara la calora. La calora tambin es conocida como ca-lora pequea, en comparacin con la kilocalora (kcal),que se conoce como calora grande y es utilizada en nu-tricin.

    1 kcal = 1000 cal

    Joule, tras mltiples experimentaciones en las que el mo-vimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas,se movan en el interior de un recipiente con agua, esta-bleci el equivalente mecnico del calor, determinando elincremento de temperatura que se produca en el uidocomo consecuencia de los rozamientos producidos por laagitacin de las palas:

    1 cal = 4,184 J[1]

    El BTU (unidad trmica britnica), es una medida parael calor muy usada en Estados Unidos de Amrica y enmuchos otros pases de Amrica. Se dene como la can-tidad de calor que se debe agregar a una libra de aguapara aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit' yequivale a 252 caloras.

    6 Termodinmica y transferenciade calor

    La termodinmica se interesa en la cantidad de transfe-rencia de calor a medida que un sistema pasa por un pro-ceso, sin indicar cunto tiempo transcurrir. Un estudiotermodinmico sencillamente nos dice cunto calor de-be transferirse para que se realice un cambio de estadoespecco, con el n de cumplir con el principio de con-servacin de la energa. En la experiencia nos enfocamosms en la velocidad de la transferencia de calor que en lacantidad transferida. La termodinmica trata de los esta-dos en equilibrio y de los cambios que ocurren entre unestado de equilibrio y otro. Por otra parte, la transferenciade calor se ocupa de los sistemas en los que se presentadesequilibrio trmico y, por tanto, existe una condicinde no equilibrio. En consecuencia, el estudio de la trans-ferencia de calor no puede basarse slo en los principiosde la termodinmica; sin embargo, existen leyes de la ter-modinmica que constituyen la base cientca de la trans-ferencia de calor.La primera ley de la termodinmica establece que la velo-cidad de transferencia de energa hacia un sistema es iguala la velocidad de incremento de la energa de dicho siste-ma. Su segunda ley, establece que el calor se transere endireccin de la temperatura decreciente. El requisito b-sico para la transferencia de calor es la presencia de unadiferencia de temperatura. No existe la ms mnima posi-bilidad de que se d transferencia neta de calor entre dosmedios que estn a la misma temperatura, esta diferenciade temperaturas constituye la condicin bsica necesariapara que se d transferencia de calor.Anteriormente mencionamos que el anlisis termodin-mico no se ocupa de la velocidad de la transferencia decalor en cierta direccin pero, ahora, podemos decir queeste parmetro depende de la magnitud del gradiente detemperatura (o diferencia de temperatura por unidad delongitud, o la razn o relacin de cambio de la temperatu-ra en esa direccin). A mayor gradiente de temperatura,mayor es la velocidad de transferencia de calor.

    6.1 reas de aplicacin de la transferenciade calor

    Es comn encontrar la transmisin de calor en los sis-temas de ingeniera y otros aspectos de la vida; y no esnecesario ir muy lejos para ver algunas de sus reas de

  • 5aplicacin. Es ms, uno de los ejemplos ms sencillos loencontramos dentro del cuerpo humano, ste permaneceemitiendo calor en forma constante hacia sus alrededo-res y la comunidad humana est ntimamente inuencia-da por la velocidad de esta emisin de calor. Tratamosde controlar la velocidad de esta transferencia de calor alajustar nuestra ropa a las condiciones ambientales. Mu-chos aparatos domsticos se han diseado, en su totalidado en parte, aplicando los principios de la transferencia decalor. Algunos ejemplos incluyen la estufa elctrica o degas, el sistema de calefaccin o de acondicionamiento delaire. La transferencia de calor desempea un papel im-portante en el diseo de muchos otros aparatos, como losradiadores de automviles, los colectores solares, diver-sos componentes de las plantas generadoras de energa e,incluso, las naves espaciales.

    6.2 Transferencia de calor en la ingeniera

    Los problemas de capacidad nominal se ocupan de la de-terminacin de la velocidad de transferencia de calor paraun sistema existente con una diferencia especca de tem-peratura. Los problemas de dimensionamiento se ocupande la determinacin del tamao de un sistema con el nde transferir calor a una velocidad determinada para unadiferencia especca de la temperatura. Un proceso o unequipo de transferencia de calor puede ser analizado deforma experimental o de forma analtica. El procedimien-to experimental tiene la ventaja de tratar con el sistemafsico real y, gracias a ello, la cantidad deseada se deter-mina mediante medicin, dentro de los lmites del errorexperimental. El procedimiento analtico tiene la ventajade que es rpido y barato, pero los resultados obtenidosdependen de la exactitud de las hiptesis e idealizacionesestablecidas en el anlisis. En los estudios de transferen-cia de calor a menudo se logra una buena aproximacinreduciendo, mediante el anlisis, las opciones a solo unascuantas y, a continuacin, vericando los hallazgos expe-rimentalmente.

    7 Sensacin de calor en el ser hu-mano

    Generalmente en la mayora de los pases, se habla yade calor cuando la temperatura supera los 26 C en cual-quier hora del da, aunque vara mucho segn la estacindel ao en que se encuentre una persona. Por ejemplo,20 C en verano es considerado una temperatura fresca,mientras que en invierno, esta temperatura es considera-da templada o clida.El fenmeno "ola de calor" se da cuando las temperaturasdiurnas superan los 32 C y las nocturnas (o al amanecer)no bajan de los 23 C por tres das y es comn en casi todotipo de climas en poca veraniega, a excepcin de los pa-ses cerca de los polos, con clima templado y polar, cuando

    es muy infrecuente o casi nulo, y se hace ms frecuentecuando los pases estn ms cerca de los trpicos (pasescon climas tropical y subtropical). Esta denominacin deola de calor no quiere decir necesariamente calor exce-sivo ni temperaturas inusuales para la estacin; pretendealertar sobre consecuencias perjudiciales en personas ocolectivos vulnerables.El ser humano siente ms calor cuando hay ms humedaden el ambiente. Por ejemplo, una temperatura de 30 C,pero con humedad ambiental del 10 %, se sentir comosi el ambiente fuese de solo 28 C. Pero con humedadambiental del 90 %, se sentir como si el ambiente fuesede 40 C.

    8 Vase tambin

    Calorimetra

    Temperatura

    Termodinmica

    Bolsa de agua caliente

    Teora calrica

    Teora cintica de los gases ideales

    Introduccin a la mecnica de uidos

    9 Referencias[1] International Standard ISO 31-4: Quantities and units

    Part 4: Heat. Annex B (informative): Other units givenfor information, especially regarding the conversion fac-tor. International Organization for Standardization, 1992.

    Cengel, Yunus A. (2004), Transferencia de calor (2edicin), Mxico: McGraw-Hill

    Abbott, M.M.; Vanness, H.C. (1991), Termodin-mica (2 edicin), Mxico: McGraw-Hill

    Callen, H.B. (1985), Thermodynamics, New York:Wiley & Sons

    Valderrama, J.O. (2009), Apuntes de Termodinmi-ca Bsica

    Wark, K. (1991), Termodinmica (5 edicin), M-xico: McGraw-Hill

    Faires, V.M. (1973), Termodinmica, Mxico:Uteha

  • 6 9 REFERENCIAS

    9.1 Enlaces externos

    Wikcionario tiene deniciones y otra informa-cin sobre calor.Wikcionario

    Wikiquote alberga frases clebres de o sobreCalor. Wikiquote

  • 710 Texto e imgenes de origen, colaboradores y licencias10.1 Texto

    Calor Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Calor?oldid=81304368 Colaboradores: AstroNomo, PACO, Sabbut, Franciscolasrozas, Moriel,JorgeGG, SpeedyGonzalez, Sanbec, Bermiego, Interwiki, Jynus, Sms, Cookie, Tostadora, Tano4595, El Moska, Dianai, Erri4a, ArturoReina~eswiki, Troodon, Pablo Alcayaga~eswiki, Balderai, FAR, Taragui, Soulreaper, Petronas, Xuankar, Airunp, Aeveraal, Taichi, Ma-gister Mathematicae, OMenda, Maribel Lopez Nuez, Orgullobot~eswiki, JMB(es), Diegospina, Chobot, Gerkijel, Yrbot, Amads, Oscar., Maleiva, Vitamine, Wiki-Bot, Gaeddal, GermanX, Beto29, Lobillo, Gaijin, Svoice, Manolitro, Santiperez, Txo, Baneld, Maldoror, To-matejc, Filipo, Shant, Alfredobi, TwIsTeR, Sigmanexus6, Wing Leader, BOTpolicia, JEDIKNIGHT1970, Nethac DIU, Mampato, GizmoII, CEM-bot, Bastique, Laura Fiorucci, Itzal, Roblespepe, Salvador alc, Efeg, Durero, Baiji, Lunatiko, Karshan, Davius, Rosarinagazo,Antur, Escarlati, Montgomery, Ggenellina, Airwolf, Alvaro qc, Bot que revierte, Drake 81, RoyFocker, Nezs, Isha, Mpeinadopa, Rrmsjp,JAnDbot, Kved, Segedano, Gsrdzl, TXiKiBoT, Joel Nava, Hidoy kukyo, Humberto, Netito777, Fixertool, Nioger, Chabbot, Idioma-bot,Ronald2308, Plux, Zeroth, Jjpb1, El oso negro, Serrano23, Bucephala, Cipin, Urdangaray, Technopat, The Bear That Wasn't, Raystorm,Matdrodes, House, DJ Nietzsche, BlackBeast, Muro Bot, Edmenb, Maugemv, Ltourn, SieBot, Mushii, Holazs, El carrera, RedCoat, CtrlZ, PaintBot, Carmin, Cobalttempest, Drinibot, Doppelgarnerd, Kropotkine 113, Macy, BOTarate, Mel 23, OboeCrack, Manw, Greek,Mafores, Copydays, Ashrey, Tirithel, Mutari, Eruiluvanar, Jarisleif, Javierito92, HUB, Apo007, Antn Francho, Eduardosalg, Leonpolan-co, Organica~eswiki, Botito777, Furti, Petruss, Argenz, Ener6, Lluvia, Vicovision, Aipni-Lovrij, Afsfagasdga, Camilo, UA31, Thingg,AVBOT, David0811, LucienBOT, Angel GN, MarcoAurelio, NjardarBot, Diegusjaimes, Arjuno3, Saloca, BIPiane, Luckas-bot, Dalton2,NACLE, Ptbotgourou, Vic Fede, Nixn, ArthurBot, Rickynoram, SuperBraulio13, Patipao, Ortisa, Jkbw, GhalyBot, EnlazaBOTquote,Aranguren12, Ricardogpn, Manu Lop, Zucho, Igna, Ianericovich, Chys~eswiki, Botarel, AstaBOTh15, RubiksMaster110, White MasterKing, ManuBOT15, Whiediego, Halfdrag, Sergioddy5, Ana uv, PatruBOT, KamikazeBot, Sianchau4, Humbefa, Jorge c2010, Foundling,Bolt58, GrouchoBot, Tuhermanaen4, Edslov, EmausBot, Savh, AVIADOR, Rapel, ZroBot, Allforrous, Duaidd, Rubpe19, Knuck, Mercu-rioMT, Alfredomalagon, Gritos, HaVyCT, ChuispastonBot, Waka Waka, WikitanvirBot, Hiperfelix, Hugotetex, Blackice2011, Antonorsi,SaeedVilla, Mayito17x, MerlIwBot, Sirbatistarey, JABO, Caremanuelher, Magnos018, Travelour, Vichock, -seb-, Acratta, Dunraz, Ve-tranio, Harpagornis, rico Jnior Wouters, Asqueladd, Wjavierct, Santga, Lune bleue, Baute2010, Addbot, Gabobobobo, Hiram 8000,Angelica lucero, Javicervantes123, Junior Romn, Valeria.ramirezd, Normamontesg, Jarould, YeltsinFranco01, Macoxs, Lectorina y An-nimos: 646

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    Historia del concepto Calor especfico Calor especfico molar Capacidad calorfica

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