calorimetria andrés
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CALORIMETRÍA
Andrés JiménezSara Velasco
11-2Física
Escuela Normal Superior de Pasto
Agosto de 2013
CALOR (Q): el calor es una forma de energía y se mide en joule y caloría (cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gr de agua a 1°C), 1 cal = 4,186 joule.
El calor puede ser generado por medio de reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción).
PUNTO DE FUSION: proceso endotérmico, (absorbe calor) es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido – líquido, el cambio de fase ocurre a temperatura constante.
PUNTO DE EBULLICION: es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido al estado gaseoso. Depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia.
CALORIMETRIAParte de la física que mide la cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo.
CURVAS DE CALENTAMIENTO
Es una gráfica de la temperatura del sistema contra la cantidad de calor agregada.
Punto de fusión
Punto de ebullición
La adición de calor hace que la temperatura del hielo aumente. En tanto la temperatura esté por debajo de 0ºC, la muestra permanecerá congelada. Cuando la temperatura llegue a 0ºC, el hielo comenzará a derretirse.
La adición de más calor aumenta la temperatura del agua hasta llegar a 100ºC (segmento CD). En ese momento, el calor se utiliza para convertir agua en vapor a una temperatura constante de 100ºC (segmento DE).
Puesto que el calor específico del agua es mayor que el del hielo, la pendiente del segmento CD es menor que la del segmento AB; hay que agregar más calor al agua para lograr un cambio de temperatura de 1ºC, que el necesario para calentar 1ºC la misma cantidad de hielo.
En los segmentos BC y DE estamos convirtiendo una fase en otra a temperatura constante. La temperatura permanece constante durante estos cambios de fase porque la energía agregada se utiliza para vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas, no para aumentar su energía cinética media.
CALOR LATENTE: La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase. Existen tres tipos de calores latentes:
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN: Es el calor necesario para convertir una dada masa de una sustancia del estado liquido a la temperatura de ebullición al estado gaseoso a la misma temperatura.
CALOR LATENTE DE SUBLIMACIÓN: Es el calor necesario para convertir una dada masa de una sustancia del estado sólido al estado gaseoso a la misma temperatura.
CALOR LATENTE DE FUSIÓN: Es el calor necesario para convertir una dada masa de una sustancia del estado sólido a la temperatura de fusión al estado líquido a la misma temperatura.
Ejemplo:
Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor.
CALOR COMO FORMA DE ENERGÍA: El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. En realidad el calor es una forma de energía (energía en tránsito), y sus unidades, intercambiables, equivalentes: 1 caloría ≡ 4.184 J ‘calor’ ‘energía’
CALOR ESPECÍFICO: es la cantidad de calor que se le debe suministrar a una unidad de masa para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). (intensiva) El valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.
cgr
Cal
.
C: calor especifico, este valor es propio para cada materia.Q: calor.m: masa (gramos) T: cambio de temperatura. Temperatura final menos la temperatura inicial (Tf-Ti).
Sustancia pura
Calor especifico (cal/gr.c)
Sustancia pura
Calor especifico (cal/gr.c)
Agua 1 Aceite 0,45
Alcohol 0,67 Cobre 0,09
Bronce 0,009 Aluminio 0,22
Hierro 0,11 Hielo 0,54
Calores específicos de algunas sustancias
INERCIA TERMICA: resistencia que opone un objeto a los cambios en su estado de movimiento. De igual manera, el calor específico representa una inercia térmica porque denota la resistencia que opone una sustancia a los cambios de temperatura. Indica la cantidad de calor que puede conservar un cuerpo y la velocidad con que la cede o absorbe. Depende de la masa, del calor específico de sus materiales y del coeficiente de conductividad térmica de éstos.
CAPACIDAD CALORIFICA: cantidad de calor que permite variar, en un grado, la temperatura de un cuerpo. Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta (extensiva). Expresada en fórmula:
= capacidad calórica.
= cantidad de calor.
= variación de la temperatura.
ENERGÍA INTERNA DEL CALOR: Cualquier cuerpo, independientemente de si está "frío" o "caliente", tiene energía interna (a menos que esté a 0 kelvin). Esta energía interna se debe a la suma de energías cinética y potencial de cada átomo, las cuales están en función de la temperatura. Así que en este caso podríamos decir, que a mayor temperatura, hay mayor energía interna (debido a que hay más vibración molecular).
El CALOR COMO GENERADOR DE TRABAJO: el calor al ser también una energía, genera un trabajo mecánico, ya que cuando se incrementa o añade calor se aumenta le movimiento cinético de las moléculas de la materia. Para convertir este calor en trabajo mecánico, se fabrican diferentes maquinas térmicas que lo producen a través de la transferencia de calor. Como por ejemplo las maquinas a vapor (barcos, locomotoras) o un motor convencional (automóvil) transforma calor cedido por el combustible en trabajo mecánico que sirve para impulsar el vehículo.
PROCESO ISOBARICO: es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante, produciéndose una variación en la temperatura o el volumen. Por ejemplo el agua se hierve en un recipiente abierto a la atmosfera, la presión permanece constante, de tal forma que entre mayor sea la temperatura el volumen desprendido aumenta.
PROCESO ISOCORICO: es un proceso termodinámico también llamado proceso isométrico o isovolumétrico que ocurre a volumen constante, produciéndose una variación en la temperatura o la presión.
PROCESO TERMICO: es un proceso termodinámico que ocurre a temperatura constante en todo el sistema. Produciéndose una variación en la presión o el volumen.
PROCESO ADIABATICO: Es un proceso termodinámico en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno.Durante un proceso adiabático la transferencia de calor hacia el sistema o proveniente de él es cero.
Todos los cuerpos (solidos, líquidos y gaseosos aumentan su longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica con los incrementos de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. Cada sustancia posee un diferente comportamiento, el cual se registra con un coeficiente de dilatación especifico para cada material.
DILATACIÓN TÉRMICA DE LOS CUERPOS
TIPOS DE DILATACIÓN
Dilatación lineal : es la variación de longitud (1ª dimensión) por su aumento interno de temperatura.
• Coeficiente de dilatación lineal : es el incremento de longitud que experimenta la unidad de longitud de la sustancia al aumentar su temperatura en 1 °C.
Su formula es: tll Lf 1
L
L
t
l
l
f
= longitud original de la varilla
= longitud final o longitud dilatada
= variación de la temperatura i
f
t
t
t = tF - ti
= temperatura final
= temperatura inicial
Coeficientes de dilatación de algunas sustancias
MATERIAL
MATERIAL
Hormigón
Acero
Hierro
Plata
Oro
Invar
Plomo
zinc
Aluminio
Latón
Cobre
Vidrio
Cuarzo
Hielo
Diamante
grafito
1C 1C
Dilatación superficial : es el incremento del área (2ª. Dimensión) de un cuerpo en forma plana por su aumento interno de temperatura.
• Coeficiente de dilatación superficial : es el incremento de área que experimenta la unidad de superficie al aumentar su temperatura en 1 °C.
El coeficiente de dilatación superficial es igual al doble del coeficiente de dilación lineal del mismo material, es decir, =
Su formula es:
S
S
SS
L2
tLf 21
t
f
= área inicial
= área final
= variación de la temperatura i
f
t
t
t = tF - ti
= temperatura final
= temperatura inicial
Dilatación volumétrica : es el incremento del volumen (3ª dimensión), de un cuerpo en forma de solido por su aumento de temperatura interna.
• Coeficiente de dilatación volumétrica : es el incremento de longitud que experimenta la unidad de volumen de la sustancia al aumentar su temperatura en 1 °C.
El coeficiente de dilatación volumétrica es igual al triple del coeficiente de dilación lineal del mismo material, es decir, =
v
v
vv
L3
Su formula es:
tVV Lf 31
t
V
V
f
= volumen inicial
= volumen final
= variación de la temperatura i
f
t
t
t = tF - ti
= temperatura final
= temperatura inicial
Coeficientes de dilatación cubica de algunos líquidos
LIQUIDOCoeficiente de dilatación cubica
Alcohol etílico
Bisulfuro de carbono
Glicerina
Mercurio
petróleo
1.3 C
Variación de la densidad: aunque cambie el volumen de un cuerpo por una dilatación cubica su masa permanece constante, variando solo su densidad.
Los cuerpos experimentan dilataciones en su longitud con el aumento de temperatura. La expresión que relaciona la longitud final (Lf) con estos cambios es:
Donde Lo es la longitud inicial del cuerpo, al el coeficiente de dilatación lineal que depende del material del cuerpo, Tf, la temperatura final y Ti, la temperatura inicial del cuerpo.Un material A tiene un coeficiente de expansión lineal que es dos veces el coeficiente de expansión de un material B. Si ambos tienen la misma longitud inicial y son sometidos a los mismos cambios de temperatura es correcto afirmar que
A. el cambio en la longitud de los materiales es el mismo, porque sus cambios de temperatura son los mismos.
B. el cambio de longitud de los materiales es el mismo, porque sus longitudes iniciales son las mismas.
C. el cambio en al longitud del material A será mayor a la del material B, porque su coeficientes de dilatación es mayor.
D. el cambio en al longitud del material A será menor a la del material B porque su coeficiente de dilatación es mayor.
)(1 TiTfll Lf
El problema nos presenta dos materiales, A y B, nos dice que el coeficiente de expansión lineal de A es dos veces el coeficiente de expansión de un material B. tienen una misma longitud inicial y son sometidos al mismo cambio de temperatura. Entonces podemos decir que lo único en que se diferencian los materiales, de acuerdo a la relaciones planteadas es en su coeficiente de dilatación. Entonces el cambio de longitud será mayor en aquel que tenga mayor coeficiente de dilatación.
16,2
08,1.2
08,012
20.004,012
)3050.(004,012
f
f
f
f
f
l
l
l
l
l
08,2
04,1.2
04,012
20.002,012
)3050.(002,012
f
f
f
f
f
l
l
l
l
l
A, coeficiente de dilatación es igual a 0.004
B, coeficiente de dilatación es igual a 0.002
PROPAGACIÓN DEL CALORLa propagación del calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. Se produce con el fin de alcanzar un equilibrio térmico.
FORMAS DE PROPAGACIÓN DEL CALOR
Conducción del calor: es la transferencia de calor de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto, sin que se desplacen las moléculas de los mismos. Ocurre solo en los materiales solidos.
El factor que también incide en la conducción del calor se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubo de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.
Convención del calor: cuando el aire se calienta, se dilata, haciéndose menos denso. Como consecuencia de esto, se produce una corriente ascendente del aire caliente que a su vez desplaza el aire frio, que esta mas alejado de la fuente de calor, generando una corriente descendente.
El calor especifico de una sustancia esta definido por la expresión:
En donde Q es le calor que es necesario suministrar a la unidad de masa de esa sustancia para que su temperatura aumente en una unidad. Se tiene un calorímetro (recipiente construido para aislar térmicamente su contenido del exterior) de masa despreciable, con una masa de agua M a temperatura T.
T T1
m
Se introduce un cuerpo de masa m a temperatura To. si To > T, la temperatura To a la cual llegará el sistema a alcanzar el equilibrio térmico, es
A. To B. T C. menor que T D. menor que To pero mayor que T
Tenemos que la temperatura To > T , entonces preguntan por la temperatura en que el sistema alcance el equilibrio térmico. Podemos llamar a esta temperatura Te. Entonces:
Te > T ; Te < To, podemos hacerlo tomando valores numéricos, To = 10°C, T = 6°C, para que se logre el equilibrio térmico ambas partes deben tener la misma temperatura, si To cede calor (2°C) y T absorbe dicho calor, sus temperaturas quedarían equilibradas, ambas a 8°C. Entonces podemos decir que la temperatura de equilibrio es menor que To y mayor que T.
GRACIAS