Introducción a la Termodinámica
Actividad
1)Observa las siguientes imágenes, en donde las distintas
esferas son calentadas hasta alcanzar los 100ºC. Ordena cada esfera según su
capacidad calorífica.
2) Analiza la siguiente situación, ¿por qué en la primer
situación el hielo se funde más que en la segunda si el agua está en los dos
casos a90 ºC?
3-¿Por qué la llama de un fósforo no alcanza a fundir un
trozo de hielo? Justifica
Visualiza el
siguiente vídeo
Física I Lección 14D
del Prof. Walter Lewin sobre Calor y diversas formas de energía, recuperado del
canal Edwin Loaiza Acuna
Se discuten la energía térmica,
las calorías y el calor específico. Se describe arreglo experimental de Joule
para el estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica. Se
mencionan varias fuentes de calor (incluyendo el calor del cuerpo). Se calcula
la energía para calentar el agua del baño. Se discute conversión de la energía
de una forma a otra, y se le pide a un estudiante convertir la energía mecánica
en energía eléctrica.
Pasar a ver:
https://www.youtube.com/watch?v=gqsZZyxvcS8
Física. Paul Tippens. Cantidad de calor. Mc Graw Hill. Recuperado de:
https://es.slideshare.net/gabocordovez/tippens-fisica-7ediapositivas17
Otra explicación.
Capacidad calorífica. Calor específico. Recuperado de:
https://www.youtube.com/watch?v=vb48Ew0q5Zw&t=149s
Física. Paul Tippens. Cantidad de calor. Mc Graw Hill. Recuperado de:
https://es.slideshare.net/gabocordovez/tippens-fisica-7ediapositivas17
Otra explicación.
Capacidad calorífica. Calor específico. Recuperado de:
https://www.youtube.com/watch?v=vb48Ew0q5Zw&t=149s
Calorimetría. Capacidad
Calorífica y Calor Específico
Actividad:
Toma apuntes de los conceptos
fundamentales para luego trabajar con el calorímetro, (simulador)
En un sentido amplio, la
calorimetría se desarrolló históricamente como una técnica destinada a fabricar
aparatos y procedimientos que permitieran medir la cantidad de calor
desprendida o absorbida en una reacción mecánica, eléctrica, química o de otra
índole. Esta disciplina, encuadrada dentro de la termodinámica, se ha especializado
sobre todo, con el paso del tiempo, en la determinación del calor específico de
los cuerpos y los sistemas físicos.
Capacidad calorífica
Como regla general, y salvo
algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le
aporta energía en forma de calor. El cociente
entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T
obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo,
que se expresa como:
La capacidad calorífica es un
valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud
fundamental de la calorimetría, el calor específico.
Caloría
Para elevar la temperatura de 1 g
de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC ( 1ºC) es necesario aportar una cantidad de
calor igual a una caloría. Se especifica desde 14,5 ºC a 15,5 ºC porque no
es la misma cantidad de calor la necesaria para calentar 1 gramo de agua, en 1
ºC, en otros puntos de la escala. Así, de 0 ºC a 1 ºC se requieren 1,008 calorías
y de 40 ºC a 41 ºC se requieren 0,997
calorías. A los fines prácticos, sin embargo, se puede suponer que los valores
son de 1 caloría para una ΔT = 1 ºC en cualquier parte de la escala. Por tanto,
la capacidad calorífica ( C) de 1 g de agua es igual a 1 cal/Kelvin.
Calor específico
El valor de la capacidad
calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos
matemáticos, esta relación se expresa como: Ce = C/m = Q / m ΔT
Donde Ce es el calor específico del cuerpo, m su masa, C
la capacidad calorífica, Q el calor
aportado y ΔT el incremento
de temperatura.
El calor específico es
característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en
Julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor
específico del agua es igual a: Ce del
agua = 4186 J/ kg ºC = 1 cal / g ºC
Del estudio del calor específico
del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del
calor, ya que: 1 Cal = 4,184 J, es decir 1 J =
0,24 Cal
Experimento de Joule
En el experimento de Joule se
determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la
unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.
Mediante esta experiencia
simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es
necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un
volumen pequeño de agua.
Un recipiente aislado
térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir
su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la
acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del
experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con
velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia,
el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende
una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y
ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución
de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La
constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4,186
J/(g ºC). Por tanto, 4,186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g
de agua en 1º C. Se define la caloría como 4,186 J sin referencia a la
sustancia que se está calentando.
1 cal=4,184 J
|
En la simulación de la
experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro,
del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del
recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las
poleas, etc.
- Sea M la masa del bloque que
cuelga y h su desplazamiento vertical
- m la masa de agua del calorímetro
- T0 la temperatura inicial
del agua y T la temperatura final
- g=9.8 m/s2 la aceleración de
la gravedad
La conversión de energía mecánica
íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.
mgh=m Ce (T-T0)
Se despeja el calor específico
del agua que estará expresado en J/(kg K).
Ce = m g h/ m ( T –T0)
Como el calor especifico del agua
es por definición Ce =1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre
las unidades de calor y de trabajo o energía.
Calorimetría
La determinación del calor
específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la
calorimetría.
El procedimiento más habitual
para medir calores específicos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo a
una temperatura T1 conocida,
en un baño de agua de temperatura T2
también conocida. Suponiendo que el
sistema está aislado, habrá una transferencia de calor desde la sustancia más
caliente a la más fría, cuando se alcance el equilibrio térmico a una temperatura
T3, se cumplirá que el calor cedido
por el cuerpo que estaba más caliente será igual al absorbido por el agua.
Los datos serán:
T1: temperatura
inicial del cuerpo.
T2: temperatura
inicial del agua y del recipiente (calorímetro)
T3: temperatura de
equilibrio (final) del conjunto.
mc: masa del
calorímetro
Cec: calor específico
del material del calorímetro.
mH2o : Masa de agua en
el calorímetro.
Ce H2o: calor
específico del agua
mcuerpo: masa del
cuerpo.
Cex: calor específico del
material a determinar
En el equilibrio será: T1 > T3 > T2
El calor perdido por el cuerpo: Qperdido
= mc Cex (T1 - T3)
Mientras que el calor ganado por
el agua y el calorímetro:
Qganado = mH2o
CeH2o (T3 – T2)+ mc Cec
(T3 – T2)
Trabajando algebraicamente: Cex
= mH2o CeH2o (T3 – T2)+ mc
Cec (T3 – T2)/ mc (T1 -
T3)
Actividad
Calorímetro
Simulador, recuperado de:
Utilizando el simulador y la
ecuación correspondiente, calcula el calor
específico de las sustancias A y D con las siguientes condiciones:
Experimento 1: Se mezclan en el
calorímetro 60 g de sustancia A a una temperatura inicial de 96ºC con 50 g de
agua a una temperatura inicial de 25 ºC.
Experimento 2: Se mezclan en el
calorímetro 28 g de sustancia D a una temperatura inicial de 35 ºC con 45 g de
agua a una temperatura inicial de 38 ºC.
Práctica para la clase:
1- a)Expresa la diferencia entre
calor, temperatura y energía interna.
1.b) Cuatro
termómetros marcan respectivamente: 1) 86K, 2) 220 ºC, 3) 224 ºF.¿En cuál es
mayor la temperatura?
2. ¿Qué cantidad de calor hay que darle a 500
g de agua para que pase de 17 a 70 ºC. Ce agua 1cal/g ºC
3. Comunicando 5000
cal a cierto cuerpo de 500 g de masa su temperatura aumenta 18 ºC. Determina su
calor específico.
4-Mezclamos
800 g de un líquido A de 0,80 cal/g ºC de calor específico y temperatura
inicial de 72ºC con 600 g de agua a 57ºC. ¿Cuánto vale la temperatura de
equilibrio?
5- Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g ºC, a la temperatura de 77ºC, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g ºC y 55ºC de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.
5- Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g ºC, a la temperatura de 77ºC, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g ºC y 55ºC de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.
6.- Un trineo de 200 kg de masa desciende, partiendo
del reposo, por una pendiente de hielo de 80 m de desnivel. Al alcanzar el
llano, su velocidad es de 11,11 m/s. Calcular la energía convertida en calor.
Calor latente (L ) y calor (Q)
gráfico de T en función de Q entregado
http://www.educaplus.org/game/curva-de-calentamiento-del-agua
Calor Q =m Ce variación de T
https://www.youtube.com/watch?v=gqsZZyxvcS8
Calor latente y Q grafico de T en función de Q entregado
http://www.educaplus.org/game/curva-de-calentamiento-del-agua
Ley cero de la termodinámica
https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/calor-y-temperatura/
https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/
Calculadora de diferentes magnitudes físicas y matematicas
http://www.calculatoredge.com/chemical/specific%20heat.htm
para calcular el calor especifico (necesita jaba)
http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/calor_especifico/applet.html
calor especifico
https://www.hiru.eus/es/fisica/calorimetria-capacidad-calorifica-y-calor-especifico
calorímetro aparato funciona
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/14700584/helvia/aula/archivos/_22/html/2240/equilibrio_trmico.html
práctica
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/14700584/helvia/aula/archivos/_22/html/2240/actividades_de_repaso.html
Q ganado = Q cedido
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/calorimetro.htm
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