APUNTES DE CALOR

4ºESO

APUNTES ENERGÍA TÉRMICA

T1 > T2

Q

T1 > T2

Q

T1 = T2

EQUILIBRIO TÉRMICO

APUNTES ENERGÍA TÉRMICA

Joule introdujo agua en un recipiente (1) y midió su temperatura (2). En el recipiente había unas palas (3), como las de una batidora, unidas a un rodillo. Una cuerda (4) estaba enrollada alrededor del rodillo y de la cuerda, mediante una polea (5), colgaba una masa (6). Joule dejó caer la masa, de modo que ésta descendió una distancia determinada (h), desenrollando la cuerda unida al rodillo y haciéndolo girar. Pero, al girar el rodillo, lo hicieron también las palas, removiendo el agua. Cuando Joule midió la temperatura del agua, observó que ¡se había calentado! Conociendo la masa y la distancia descendida, Joule pudo calcular la disminución de energía potencial (m.g.h) de la pesa. Conocida la masa de agua en el recipiente y su aumento de temperatura, pudo calcular el aumento de energía térmica en el agua. Igualando ambas, pudo encontrar la relación entre la Ep perdida por la masa (o W realizado por el peso) y la energía térmica. Los dos mundos, hasta entonces desconectados, habían sido unidos. ¿Se merece Joule que hablemos de julios o no se lo merece?

(1)

(2)

(3)

(4) (5)

(6)

(h)

EFECTOS DEL

CALOR (Q)

VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA ('T)

La cantidad de CALOR necesaria depende de:

MASA (m): A mayor masa, más calor es necesario para variar la temperatura.

TIPO DE MATERIAL (C): No todas las sustancias se calientan con la misma facilidad.

VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA (Tf-Ti): Cuánta mayor variación quiera producir, mayor calor es necesario.

Q = m · C · (Tf-Ti) CALOR ESPECÍFICO (C): Cantidad de calor hace falta para que un 1 KILOGRAMO de una sustancia subiese su temperatura 1 GRADO. Cada tipo de sustancia tiene una C distinta (están tabuladas). Sus unidades en el SI (J/kg·ºC).

El CALOR varía la TEMPERATURA de las sustancias

CAMBIO DE ESTADO

La cantidad de CALOR necesaria depende de:

MASA (m): A mayor masa, más calor es necesario para cambiarla de estado.

TIPO DE MATERIAL (L): No todas las sustancias cambian de estado con la misma facilidad.

Q = m · L CALOR LATENTE (L): Cantidad de calor hace falta para que un 1 KILOGRAMO de una sustancia CAMBIE DE ESTADO. Cada tipo de sustancia tiene una L distinta para cambio de estado (están tabuladas). Sus unidades en el SI (J/kg).

El CALOR puede CAMBIAR el ESTADO de las sustancias

VARIACIÓN DEL VOLUMEN ('V) El CALOR puede variar el VOLUMEN de las sustancias (no será objeto de estudio en estos apuntes)

APUNTES ENERGÍA TÉRMICA

Sustancia Calor específico (C)

(J/kg.ºC) Calor Latente (L) (J/kg)

Tª fusión (ºC) Lf = -Ls Tª evaporación (ºC) Lv = -Lc Agua – Hielo – Vapor de agua 4180 – 2090 - 1920 0 3,344·105 100 2,25·106

Etanol 2450 - - - - Aire 1003 - - - - Acero 485 1430 2,05·105 - - Hierro 450 1536 2,76·105 2860 6,34·106 Cobre 385 1050 1,72·105 2160 4,81·106 Plata 235 960 1,13·104 2163 2,32·106

Mercurio 138 -38,9 1,17·104 357 2,96·106 Oro 130 1064 6,7·104 2860 -

Plomo 129 340 2,5·105 1750 8,7·106

SÓLIDO LÍQUIDO GAS

Sublimación directa

Sublimación inversa

Fusión (f) Evaporación (v)

Solidificación (s) Condensación (c)

“hacia la derecha”

“hacia la izquierda”

-12000 J = 836 J/ᵒC · Tf – 37620 J; -12000 J + 37620 J = 836J/ᵒC · Tf ; 25620 J = 836 J/ᵒC · Tf ; Tf = 25620 J : 836 J/ᵒC ; Tf = 30,64ᵒC

APUNTES ENERGÍA TÉRMICA

Mezclamos un cubito de hielo de 25g a -2ºC con 400g de agua a 12ºC. Calcula la temperatura final del conjunto cuando se llegue al equilibrio térmico. Datos-esquema

Planteamiento: Al poner en contacto ambas sustancias se alcanzará el equilibrio térmico. El hielo a -5ºC ABSORBERÁ una cantidad de calor que le CEDERÁ el agua a 12ºC y la TEMPERATURA FINAL estará entre ambas. Suponiendo (parece lógico) que sea mayor que 0ºC planteamos los pasos en los que debemos separar el proceso, puesto que variación de temperatura y cambios de estado siguen distintas expresiones matemáticas. Cómo además es un SISTEMA AISLADO se cumple que: Qabsorbido + Qcedido = 0. Resolución: Qabsorbido + Qcedido = 0 Qabs = Q1 + QF + Q2 = m1 · Chielo · (Tf-Ti)+ m1 · LF + m1 · Cagua · (Tf-Ti) Qabs = 0,025kg · 2090J/kg·ºC · (0-(-2))ºC + 0,025kg · 334400J/kg + 0,025kg · 4180J/kg·ºC · (Tf-0)ºC Qced = Q3 = m2 · Cagua · (Tf-Ti) Q3 = 0,4kg · 4180J/kg·ºC · (Tf-12)ºC

Qabsorbido + Qcedido = 0 Q1 + QF + Q2 + Q3 = 0 104,5 J + 8360 J + 104,5·Tf J/ºC+ 1672·Tf J/ºC - 20064 J= 0 -11599,5 J + 1776,5·Tf J/ºC = 0 Tf = 11599,5 J : 1776,5·Tf J/ºC Tf = 6,53ºC

mhielo=25 g magua =400 g Chielo=2090 J/kg·ºC Cagua=4180 J/kg·ºC Lf=334400 J/kg

QF

FUSIÓN

T=-2ºC T=0ºC

Q1

'T

Q2

'T T=0ºC

Q3

'T T=12ºC

ABSORBE CALOR

CEDE CALOR

Tf=?

1

2

1. Un cuerpo de 210g de masa y con un calor específico de 3120J/kg.ºC absorbe 16000J de calor. Si estaba inicialmente a 20ºC. ¿A qué temperatura llegará? 2. Si para calentar 120g de una sustancia desde 22ºC hasta 28ºC se necesitan 378J, calcula a cantidad de calor necesario para calentar 3kg del mismo material desde 12ºC hasta 150ºC. 3. Un objeto de 136g de masa y con un calor específico de 2500J/kg.ºC se encuentra a una temperatura de 18ºC. Calcula: a) la temperatura final si absorbe 18000J, b) el calor cedido para que alcance los –10ºC. 4. Tenemos un bloque de hielo de 2200g a –7ºC y le comunicamos 1445kJ. Determina el estado y la temperatura final del hielo. 5. Sometemos a un sistema formado por 120g de hielo a –10ºC a calentamiento de forma que lo convertimos en vapor a 100ºC. Calcula el calor total del proceso y el de cada paso. 6. Mezclamos 200g de agua a 30ºC con otros 100g de agua a 3ºC. Calcula la temperatura final del equilibrio térmico. 7. Calcula la cantidad de hielo que se funde si a un bloque de 2kg que está a 0ºC le comunicamos 500000J. 8. Calcula la temperatura final al introducir una bola de hierro de 100g de masa a 100ºC en un recipiente aislado con un litro de agua a 20ºC. 9. Mezclamos 200g de agua a 70ºC con 400g de agua a 12ºC. Calcula la temperatura final de la mezcla si el sistema está aislado. 10. ¿Cantos litros de agua a 5ºC hay que añadir a 36l de agua a 90ºC para que la temperatura sea 15ºC? 11. Mezclamos 200g de agua a 5ºC con 100g de benceno (C6H6) a 28ºC. Calcula la temperatura final de la mezcla. 12. Introducimos una pieza de plomo de100g que se encuentra a 200ºC en un bloque de hielo que se encuentra a13ºC bajo cero y que tiene una masa de 200g. Calcula la temperatura final y el estado en el que se encuentra el hielo. 13. Un vaso de latón vacío pesa 52,5g y está a 10ºC. Si le añadimos 20g de agua caliente a 50ºC la temperatura del equilibrio va a ser 42ºC. Determina el calor específico del latón en unidades del SI. 14. Una pieza de plata de 90g se introduce en un calorímetro de cobre de 100g de masa que contiene 160g de agua a 22ºC. Si la temperatura final, en el equilibrio, es de 36ºC, determina la temperatura inicial de la pieza de plata. 15. Se sumergen 60g de hierro a 100ºC en 178g de agua a 19ºC. Al llegar al equilibrio térmico el termómetro señala 22ºC. Calcula el calor específico del hierro. 16. Añadimos 100g de hielo a 0ºC en una cierta cantidad de agua a 40ºC y se comprueba que después de fundirse el hielo la temperatura final de la mezcla es10ºC inferior a la del agua inicial. Determina la masa de agua caliente. 17. ¿Qué cantidad de calor se necesitará para fundir una barra prismática de hielo, con unas dimensiones de 50x30x10cm, si su temperatura es de –10ºC? (dhielo=0,92g/cm3) 18. Se añaden 4kg de hielo a la temperatura de –2ºC dentro de un estanque aislado que contiene 8kg de agua a 40ºC. Determina a temperatura final de la mezcla.