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Documento parcial Para TEMA 7 El calor: Energía en tránsito. Contenidos para Física y Química José Manuel Pereira Cordido. Departamento de Física y Química. IES San Clemente. Santiago
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Documento parcial
Para TEMA 7
El calor: Energía en tránsito.
Contenidos paraFísica y Química
José Manuel Pereira Cordido. Departamento de Física y Química. IES San Clemente. Santiago
José Manuel Pereira Cordido
Doctor en Ciencias
Catedrático de Bachillerato del I.E.S. San Clemente.
Santiago de Compostela
Edición 2013 © Gráficos y dibujos: José M. Pereira Cordido © Fotografías: José M. Pereira Cordido © Vídeo: José M. Pereira Cordido
© Realización, edición y diseño: José M. Pereira Cordido
Registro General de la Propiedad Intelectual. Santiago: 03/2013/695
Licencia Creative Commons: Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada.
Se permite la difusión del documento reconociendo su autoría
No se permite un uso comercial de la obra original ni la generación de obras derivadas
Tema 7
El calor: energía en tránsito
Trabajo y calor = energía
Ya hemos dicho que trabajo y calor son la misma cosa: Energía.
No obstante, en pasadas épocas, los físicos no tenían clara tal
identidad; pensaron que calor y trabajo eran cosas diferentes, tan
distintas que se inventaron incluso diferentes unidades para cuantificar
el trabajo y el calor.
En cierto modo, para los conocimientos de la época, tenían algo
de razón. El calor, al igual que las otras formas de energía es algo
impalpable y su conocimiento sólo es posible a través de los cambios
que produce en otros cuerpos. Acordaron conocer las cantidades de
calor mediante las alteraciones que se producía un proceso
convencional.
Así , se inventaron las unidades para medir los tránsitos de
calor.
Decidieron que la caloría era la cantidad de calor necesaria para
que un gramo de agua elevase su temperatura en un grado centígrado
(concretando que dicha elevación fuese de 14.5 a 15.5 ºC).
Como tenían unidades para el trabajo y la energía, y se habían
inventado ( innecesariamente) otras para el calor, tuvieron que buscar
una relación entre ambas. Se vieron abocados a buscar una relación de
equivalencia entre ambas.
Lo resolvieron de un modo sencillo:Transformaron trabajo en
calor según un dispositivo que representamos en la figura de la página
siguiente, haciendo que una masa descendiese con velocidad
constante desde cierta altura ; y disiparon dicha energía potencial en
el interior de una masa conocida de agua ( m ).
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Es decir, transformaron la energía potencial de un cuerpo en
calor.
Las fuerzas disipativas se originaron
mediante unas aspas que rozaban en el
interior del agua. Midieron el incremento
de temperatura mediante un termómetro.
Si se evitan las pérdidas al exterior
del sistema, haciéndolo todo en un
recinto que impida emisión de calor por
convección, conducción y radiación;
estarían en condiciones tales que debe de
cumplirse :
∆ Ep = K m ·∆ t
Dado que en la ecuación
precedentes, eran conocidos ∆ Ep y
también m ·∆ t , pudieron encontrar el
valor de la relación constante, o
constante de proporcionalidad K..
Resultó que dicho valor era :
4,18 julios = 1 caloría
Si la energía se suministra mediante
una resistencia sumergida en el agua, las
medias se pueden hacer más precisas. Las
posteriores equivalencias se hicieron con
el dispositivo representado a la izquierda.
Como puede verse, el dispositivo es
análogo al anterior pero, la conversión de
energía es, de energía eléctrica en calor.
Las medidas del voltímetro y amperímetro
pueden ser de mucha precisión frente a
las pudiéramos hacer de la energía
potencial en el otro dispositivo; por dicha razón es preferible este
segundo método
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Peculiaridades del calor
El calor es una forma de energía que denominamos en tránsito
ya que no cabe concebir su existencia si no está pasando (o
transitando) de un cuerpo a otro. Es una forma de energía
degenerada, a la que llegan otras formas de energía tales como la
cinética o potencial.
Al calor como forma de energía, se llega después de que las
otras formas de energía realizan un largo recorrido por un camino .
Un camino que deteriora las posibiliadades de recuperación del calor,
ya que alcanzada la forma de calor, no se podrá recuperar
íntegramente la energia de donde vino. Es decir, el camino de vuelta
está permitido pero restringido en cuanto a su rendimiento.
El calor es una energía de inferior calidad puesto que el
trabajo se puede transformar íntegramente en calor, pero cuando
la energía llega a manifestarse bajo la forma de calor, es imposible
regenerar toda la energía (cinética, potencial, electrica..) de la que
procede.
Este camino de degeneración de la energía dificulta e
imposibilita la recuperación total
La transformación :
calor → W y otras formas de energía
es imposible de realizar íntegramente. Es decir, es imposible
alcanzar un rendimiento del 100%. y que el calor regenere todo el
trabajo del que procede
Insistir en que los calificativos peiorativos que hacemos sobre el
calor no quieren decir que sea imposible obtener energía a partir
del calor ya que, como sabemos, cualquier central térmica lo hace.
Quiere decir, repetimos, en que el rendimiento de la transformación
está limitado por una ley natural y nunca puede alcanzar el 100%.
La referida Ley (que ni mencionamos) es de tanta entidad como
la de la conservación de la energía. Expresa la imposibilidad de
obtener íntegramente tanto trabajo como la energía calorífica de
la que procede, sea cual fuere la transformación que se emplee.
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Para entender ésto, veamos ambas transformaciones con algún
detenimiento.
El calor surge, casi siempre, como consecuencia de que otras
formas de energía llegan hasta la forma de calor como resultado de la
intervención de las fuerzas disipativas. Recordemos que en otro
apartado (fuerzas de rozamiento) anterior atribuíamos a dichas fuerzas
disipativas la posibilidad de pérdidas bajo la forma de calor.
La transformación trabajo en calor:
W → calor
Puede llevarse a cabo
íntegramente con un rendimiento del
100%
La figura de la izquierda
representa esquemáticamente una
posible transformación de trabajo en
calor. Es posible hacelo directamente,
sin intermediarios, y por ello
dibujamos una flecha que une
directamente las palabras trabajo y
calor. Además puede hacerse con
rendimientos del 100% si ponemos
los medios adecuados para ello.
La segunda figura representa
esquemáticamente la transformación
inversa, calor en trabajo:
calor → W.
Dicha transformación exige
inexcusablemente la participación de
una máquina. Necesitamos un paso
intermedio (la existencia de una
máquina) y por ello la fecha no une
directamente las palabras calor y trabajo. Dibujamos una flecha
quebrada. Es la necesidad de la máquina (un artilugio intermedio) la
que quiebra la posibilidad de que sea posible un rendimiento del
100% y hace imposible recuperar integramente el trabajo del que
procede.
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En definitiva, el calor es una peculiar forma de la energía, menos útil, por sus menores posibilidades de producir trabajo que las otras formas de energía que conocemos.
En todo caso, si para medir la energía se utilizaban las unidades
del trabajo (trabajo y energía son interconvertibles) es evidente que
para el calor deben utilizarse las mismas unidades.
Recordemos que la unidad era el Julio (J) y, en consecuencia, la
energía bajo la forma de calor, debe medirse (en unidades de
trbajo o energía) en julios.
Por su parte, la potencia, es el cociente entre el trabajo
producido y el tiempo. Evidentemente, las unidades de potencia
seguirán siendo las mismas en el caso de que la energía se manifieste
bajo la forma de calor
¿Cómo transita el calor?
Al igual que a las personas se les identifica por su forma
peculiar de la cara, el cabello, de caminar..etc., al calor, que definimos
como una forma de energía que sólo existe en tránsito, debemos de
identificarla por dicha peculiariedad. Sólo existe cuando transita de
un cuerpo a otro, y debemos de conocerlo por su forma de transitar.
El calor puede transmitirse ( es decir, transitar) por diferentes
mecanismos que tienen características propias: Conducción,
convección y radiación.
La conducción:
La conducción consiste en el
paso de calor molécula a molécula
sin que exista un desplazamiento
de dichas moléculas en el cuerpo
por el que transita el calor. El caso
más habitual el el de los sólidos.
La convección:
El los líquidos y en los gases
existe la posibilidad de que las
moléculas se desplacen en el
interior de dichos fluidos.Cuando
el calor pasa de molécula a
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molécula, pero hay movimiento de dichas moléculas, al transito de
calor se le llama convección.
Si el movimiento procede de causas naturales, debido a
diferencias de densidad, a la convección se le llama natural. Si
mediante medios mecánicos se colabora en el movimiento o mezcla de
moléculas, a la convección se le llama forzada.
La radiación:
En el caso de la energía emitida por radiación el calor transita
sin soporte material. Viaja a caballo de una onda electromagnética
que para su transmisión no
necesita del concurso de la
materia como vehículo.
Así, la Tierra a través del
espacio vacío que le separa del
Sol recibe por radiación el calor.
Parte de dicha energía se refleja y
se rechaza ( a la atmósfera y al
espacio), parte de dicha energía
se absorbe (en función de la
temperatura y color ) y parte se
transmite por conducción al
interior de la Tierra.
Las cantidades de energía
emitidas y absorbidas dependen
muy, mucho, de las temperaturas
y color de los cuerpos que
participan en el intercambio de
energía.
El cuerpo más caliente
radia siempre más energía que la que absorbe. En nuestro ejemplo el
Sol.
El cuerpo frío absorbe más energía que la que emite. En nuestro
ejemplo sería la Tierra.
No obstante, en el equilibrio térmico, para cada superficie,las
energías emitidas y absorbidas se igualan.
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Temperatura.
Hasta el anterior apartado hemos omitido la palabra
temperatura, aún echándola ya en falta a la hora de hablar del tránsito
de calor. Tránsito que sólo se realiza de forma espontánea y natural
desde una temperatura más alta a otra más baja.
La temperatura es una medida de la sensación del sentido del
tacto de frío o caliente.
Al igual que en otras medidas como la del esfuerzo físico en que
nos valíamos del dinamómetro, también ahora nos servimos de una
propiedad física medible que es, para este caso, el cambio del volumen
de un líquido.
Como para la realización de la medida nos servimos de un
instrumento, pasamos a explicar los instrumentos de medida de
temperaturas.
Termómetros.
Consisten en un recipiente generalmente de vidrio, en forma de
frasco, que contiene un líquido cuyo volumen se incrementa con la
temperatura. El cuello de dicho frasco es largo y estrecho y puede (no
es imprescindible) estar cerrado en su extremo superior.
El líquido de su interior se elige convenientemente en función
del intervalo de uso o de las medidas que proporciona el termómetro,
ya que su punto de solidificación y ebullición debe estar muy por
debajo ( o por encima) de las lecturas que habrá de proporcionar.
Además, su grado de dilatación debe ser muy superior a la del
recipiente de vidrio ; ya que de no ser así, si se dilatasen por igual el
recipiente y el contenido, sería imposible apreciar la dilatación del
líquido por su ascenso por el cuello del frasco.
A la derecha del termómetro, concebido comosi fuese un frasco,
figura el dibujo de un termómetro en su forma habitual.
En él, el cuello tiene grabadas una serie de divisiones que
permiten apreciar la dilatación del líquido termométrico,
habitualmente mercurio o un alcohol coloreado. Para evitar su
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evaporación (caso de muchos líquidos) o
que se derrame el líquido termométrico,
puede ser necesario que esté cerrado
por la parte superior.
Hay termómetros que para que
puedan se utilizados para medir
cualquier intervalo de temperaturas, su
constructor ha previsto la posibilidad de
variar la cantidad del líquido
termométrico .
Disponen para ello de un
depósito suplementario d , que permite
incorporar o retirar líquido
termométrico del depósito principal D .
Si a la vez, el termómetro tiene un fino capilar para observar la
dilatación, tales termómetros pueden detectar cambios muy pequeños
de dilatación y, en consecuencia, son de elevada sensibilidad. El único
inconveniente (además de su lentitud) es que en cada ocasión, cada
vez que se usa, debe calibarse el termómetro.
Son muy útiles, no obstante, para cerciorarse de que una
temperatura permanece invariable o la cuantía de sus variaciones
desde un valor predeterminado.
Una vez construído un termómetro, deben establecerse unos
puntos de referencia para la escala.
Los físicos han acordado establecer la escala centígrada.
Para ello, acordaron establecer como punto cero la temperatura
que corresponde a la de coexistencia de los dos estados del agua.
En consecuencia, una mezcla de agua líquida saturada de aire y
agua sólida (hielo) se encuentran en una situación denominada de
cambio de estado.
En tal circunstancia, en el cambio de estado, la temperatura
permanece constante y a dicha temperatura la denominaron 0.
El punto cien de la escala se acordó igualmente otra situación.
Se decidió la correspondiente a la coexistencia de otros dos estado:
agua líquida y agua vapor. Se trata de otro cambio de estado en que la
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temperatura también permanece constante. Al punto que corresponde
este nuevo cambio de estado se le
denominó 100.
El intervalo entre dichos
puntos fijos se divide en cien partes y
a cada una de dichas partes se le
denomina grado centígradoº C A
dicha escala, por ello, se le denomina
centígrada.
En la figura de la izquierda se
ha dibujado un termómetro cuyo
bulbo está sumergido en hielo
finamente machado, la mezcla (
hielo-agua) está contenida en el
embudo que por su parte inferior permite evacuar el agua procedente
de la fusión. El cambio de estado agua sólida-agua líquida garantiza la
constancia de temperatura, que por lo convenido se establece que son
0 ºC
También se ha dibujado un
termómetro cuyo bulbo muy
próximo a la superficie del agua
está inmerso en una atmósfera de
agua vapor-agua líquida durante la
ebullición.
El cambio de estado
líquido−−−−> vapor
también garantiza la
constancia de temperatura que
como ya se ha dicho se estableció
en 100 ºC.
Otros tipos usuales de
termómetros son los de gas a
volumen constante.
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En este caso, el fluido termométrico es un gas encerrado en un
recipiente . Un dibujo simple de este tipo de termómetros está abajo-
izquierda.
En dichos termómetros, mediante una tubuladura lateral se
conecta con un manómetro que permite conocer las variaciones de
presión del gas cuando permanece constante el volumen. De ser así, es
decir, de permanecer constante el
volumen, la temperatura de
determina en función de los cambios
de presión (no de volumen) del gas
contenido en el termómetro.
Existen también termómetros
que detectan cambios de temperatura
por la flexión que se origina al
mantener unidas dos láminas
metálicas que se dilatan de forma
distinta.
Este tipo de termómetros se ha
dibujado a la izquierda.
Actualmente,también se
construyen termómetros basados en
el cambio de la resistencia con la
temperatura . Las resistencias
denominadas NTC , modifican su valor
cientos/miles de veces en intervalos
de decenas de grados centígrados; y
son la base de los actuales
termómetros electricos.
Este tipo de termómetros son
baratos,muy rápidos y muy sensibles.
Todas son ventajas. Su único
inconveniente es que deben ser
previamente calibrados
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Calor específico . Calorimetría
En su día se definió a la caloría como a la cantidad de calor
necesaria para que la masa de un gramo de agua elevase su
temperatura desde 14,5 hasta 15,5 ºC. Como consecuencia de dicha
definición, podríamos afirmar que el calor específico para dicha
elevación, en el agua , es de una caloría por cada gramo .
Pero no todas las sustancias cuando se les suministra una
caloría incrementan su temperatura en un ºC.
Según sea el tipo de sustancia, su temperatura se eleva en unas
más de un ºC , y en otras sustancias menos de 1 ºC. Por ello, no todas
las sustancias tiene el mismo calor específico.
Como desde hace mucho ttiempo se propugna el empleo
sistemático del sistema internacional de unidades, debemos redefinir el
calor específico Llamaremos calor específico a la cantidad de
energía bajo la forma de calor, expresada en JULIOS necesaria
para que un gramo de dicha sustancia eleve, en un grado, su
temperatura.
La tabla contiene diversos valores de los calores especícos de
sustancias muy conocidas.
SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO
Cobre 0,09 cal / g. ºC
Hielo 0,55 cal / g. ºC
Hierro 0,11 cal / g. ºC
Mercurio 0,03 cal / g. ºC
Vidrio 0,20 cal / g. ºC
AGUA 1,00 cal / g. ºC
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Deseamos hacer notar el
elevadísimo calor específico del agua, que
le confiere excepcionales
comportamientos debido a su excepcional
y único valor para el calor específico.
En general, podemos afirmar que la
cantidad de calor Q que ha de
suministrarse a un cuerpo de masa m para
que incremente su temperatura en ∆ t
es : Q = m · Ce ·∆ t
Por tanto, si se mezclan dos
sustancias de diferentes masas y calores
específicos distintos se producirá un
intercambio de calor entre ambas. La de
mayor temperatura cederá calor a la de
temperatura más baja.
Teniéndose que cumplir que :
Calorcedido = Calor absorbido
A fin de evitar que parte del calor
que se intercambia entre las dos
sustancias se disipe a otras, debe llevarse
a cabo la transferencia de calor
introduciéndolas en un recinto que evite
las pérdidas por conducción, convección y
radiación.
Dicho recinto se denomina
calorímetro.
En la figura de la izquierda se ha
esquematizado un clásico calorímetro
que, en realidad, no es otra cosa que un
termo o vaso Dewar.
Tiene doble pared , siendo
realmente dos vasos. El interior es en el
que se introducen las sustancias (dos
líquidos, un sólido y un líquido...) .El vaso
exterior es generalmente brillante para
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intentar minorizar las inevitables pérdidas por radiación.
También se procura que no estén en contacto, ni entre sí ni con
el exterior y para ello se apoyan en pequeñas piezas triangulares. Así
se limitan al máximo las pérdidas por conducción.
El espacio comprendido entre los dos vasos permite pérdidas
por convección, pero el aire conduce mal por convección; en todo
caso, para reducir tales pérdidas en algunos casos el espacio
comprendido entre ambos vasos está vacío de aire.
A pesar de las precauciones siempre hay pérdidas , y además,
parte del calor lo absorben los vasos ...con lo que siempre se cometen
muchos errores experimentales.
Supongamos que introducimos una masa de agua M , a una
temperatura T dentro del calorímetro.
Añadimos otra cantidad de un líquido m, a otra temperatura
más baja, sea ésta t .
Agitamos la mezcla para favorecer un rápido intercambio de
calor entre ambas, y observamos que la temperatura final que alcanza
la mezcla es t’.
La cantidad e calor ( Q ) cedida por agua al enfriarse será:
Q = M · C específico ( T − t’ )
y dado que el calor específico del agua es 1 caloría /g. ºC, dicha
cantidad de calor puede escribirse:
Q = M · 1 ·( T − t’ )
que es la misma que la absorbida por el otro líquido:
Q = m · C∗ específico ( t’ − t )
Si C* es el calor específico del otro líquido que se ha calentado
desde su temperatura t hasta otra más elevada t’
Por tanto, igualando dichas cantidades:
M · 1 ( T − t’ )= m · C∗ específico ( t’ − t )
Como en dicha ecuación se conocen las temperaturas iniciales
de cada líquido ( T y t ) y se ha medido la temperatura intermedia ( t’)
que alcanzó la mezcla, sólo se desconoce C* específico.
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Esta incógnita se puede despejar y a , así, a partir de los datos
experimentales de este intercambio de calor determinar el calor
específico de la otra sustancia.
Éste es el uso más frecuente de los calorímetros: determinar
calores específicos desconocidos utilizando el referido método
que, claro, se llama de las mezclas .
Existen otros calorímetros como
el esquematizado a la izquierda,
llamado de flujo continuo que ,
alcanzado el estado estacionario,
puede decirse que casi no tiene
pérdidas (por tanto se reducen mucho
los errores experimentales).
En tales calorímetros, el calor
cedido por la resistencia se conoce
muy exactamente por las indicaciones
del voltímetro y amperímetro; el
incremento de temperatura se conoce
ya que nos lo proporcionan los dos
termómetros que indican la inicial y
final . Si la masa que fluye en un
tiempo determinado es también
conocida : M.
Podemos escribir que para
dicho intervalo de tiempo:
Q = M · Cespecífico( t ’− t )
lo que nos permite, despejando C
específico en la ecuación, determinarlo
por vía experimental .
En muchas ocasiones los
calorímetros no se emplean para
determinar calores específicos, se
emplean para conocer los calores que
son liberados o absorbidos en algunas
reacciones . Para tales casos, el calorímetro se utiliza de modo análogo
a como hemos expuesto, con la única diferencia de que en su interior
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hay que introducir el recinto en donde se produce la reacción.
Con frecuencia dicha reacción, es una reacción de combustión.
En la figura de la izquierda representamos el caso de la
determinación de un calor de combustión. El recinto en donde se
quema la sustancia es una caja de paredes resistentes en donde
intoducimos la sustancia a quemar colocada en una cápsula o crisol,
oxígeno a presión y una resistencia para iniciar la combustión.
Conocidas las condiciones iniciales del calorímetro y la temperatura
final del agua, se puede determinar la cantidad de calor liberado en la
combustión. Dicha cantidad de calor corresponde a la masa
introducida, pero por un sencillo cálculo podemos determinar las
calorías que por cada gramo o mol se hubiesen liberado. Así,
habríamos determinado el calor de combustión.
Si la reacción fuese distinta de una combustión, el modo de
operar sería análogo al descrito.
o Al objeto de que, el alumno se ejercite en la realización de algunos ejercicios de calorimetría, en el documento anexo se incluyen algunos ejemplos de interés.
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