9. Temperatura y Calor

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Dr. Félix Aucallanchi V.

FÍSICA


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Racso Editores 301/09/2015

Concepto de temperaturaLa temperatura es la cantidad física que nos dice

que tan frío o qué tan caliente está un cuerpo

respecto de cierta referencia.

Definición de temperaturaLa temperatura es la propiedad de los sistemas

termodinámicos que determina cuándo se

encuentra o no un objeto en equilibrio térmico

con otros objetos.

Propiedad TermométricaEs todo atributo, o propiedad, de un

cuerpo que varía ante cualquier variaciónde su temperatura.

TA = TC TB = TCTA = TB = TC

Un cambio en alguna propiedad termométrica es un indicador de una variación de

la temperatura. Entre las más comunes tenemos a la longitud, el área, el volumen,

la densidad, etc.


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Un termómetro de gas de volumenconstante marcaría -273,15 °C a

presión absoluta cero.

En Termodinámica es muy importante

tener una escala termométricaindependiente del tipo de sustancia.

Tal escala se llama escala

termodinámica y es la conocida

escala Kelvin.

Lo más próximo al Cero Absoluto se logró el año 1989, obteniéndose 0,000 000 002 K.

Temperatura de referencia: El Cero Absoluto


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ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Son registros de temperatura que se han anotado de manera secuencial en

líneas o segmentos de recta.

Escalas Relativas.- Son aquellas en las que se han elegido dos temperaturasde referencia fácilmente reproducibles: la fusión del hielo y la ebullición del

agua. Entre estas tenemos la escala Celsius y la Fahrenheit.

Escalas Absolutas.- Son las que poseen un solo punto o temperatura dereferencia: el Cero Absoluto. Entre estas tenemos la escala Kelvin y Rankine.

Las temperaturas exactas de fusión del hielo es 0 °C, 31,95 °F y la de ebullición

del agua es 99,97 °C y 211,95 °F.

Las temperaturas exactas de fusión del hielo es 273,15 K y 491,67 °R y la de

ebullición del agua es 373,15 K y 671,67 °R.


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Relaciones Termométricas

273K C

T T

460R F

T T

1,8 32F C

T T

273 32 492

5 5 9 9C K F R

T T T T

R F T T

1,8F C

T T

C K T T

De donde se deduce que:

Y para las variaciones de temperatura

se obtiene que:

5 329C F

T T


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R F T T

1,8F C T T

K C

T T a)

b)

c)

5K

T K

9F T F

9R

T R


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CALOR

DefiniciónSe llama calor a la forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos

debido a una diferencia de temperaturas.

Propagación del calor

a) ConducciónEs la forma de propagación del calor a través de un cuerpo y que requiere de

dos temperaturas diferentes y definidas, observándose que el calor se

transfiere de la región de alta temperatura hacia la de menor temperatura.

b) ConvecciónEs la forma de propagación del calor que requiere de un medio material

fluido en el que las masas calientes ascienden y las frías descienden por

diferencias de densidad.

c) RadiaciónEs la forma de propagación del calor que no requiere de ningún medio

material en el que el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas

denominadas rayos infrarrojos.


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Unidades de calor

b) Kilocaloría (kcal)Se le llama también gran caloría, y es la cantidad de calor

que se debe suministrar a 1 kg de agua para elevar su

temperatura en 1 °C. Se verifica que 1 kcal = 103

cal.

c) British Termal Unit (B.T.U)Es la cantidad de calor que debemos suministrar a 1 lb de

agua para elevar su temperatura en 1 °F (de 32 °F a 33 °F).

Se verifica que:

1 BTU = 252 cal

d) Joule (J)Es la unidad de medida del calor en el S.I. En el

subsiguiente capítulo se demostrará que:

1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,2 J

a) Caloría (cal) Representa la cantidad de calor que se debe

suministrar a 1 g de agua para elevar su temperaturaen 1 °C (de 14,5 °C a 15,5 °C). Ver figura adjunta.


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Definiciones Calorimétricas

a) Capacidad calorífica (K)Cuando proporcionamos calor a un cuerpo y éste

varía su temperatura, decimos que él posee

capacidad calorífica, la cual se define como

aquella magnitud escalar propia para cada cuerpo,

y que representa la cantidad de calor que debe

ganar o perder para elevar o disminuir su

temperatura en un grado.

b) Calor específico (Ce)Se le llama también capacidad calorífica específica, y viene

a ser la magnitud escalar propia para cada sustancia, y

cuyo valor nos indica la cantidad de calor que debe ganar o

perder la unidad de masa para elevar o disminuir su

temperatura en un grado.

Calor Variación de temperatura

K Q K T

Q Ce

m T


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c) Calor sensible (Qs)Si al proporcionar o quitar calor a un cuerpo éste logra variar su temperatura

exclusivamente por esta razón, se dice que ha sido afectado por un calor

sensible. De ésto diremos que el calor sensible es aquel que sólo produce

cambios en la temperatura de los cuerpos, y viene dado así:

d) Teorema fundamental de la calorimetría

sQ mCe T f i s

f i s

- Si: ( ) : Calor ganado

- Si: ( ) : Calor perdido

T T Q

T T Q

«Cuando mezclamos dos o más cuerpos a diferentes temperaturas, ocurre queel calor que pierden los cuerpos calientes lo ganan los cuerpos fríos».

Esto no es más que una aplicación de la Ley de Conservación de la Energía.

PierdenGanancuerpos calientescuerpos fríos

Q Q


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Prob. 1.- Un cuerpo sólido inicialmente a 10 °C recibe 60 cal calentándosehasta la temperatura « x ». A continuación recibe 24 cal de modo que su

temperatura final es de 45 °C. ¿Cuál es el valor de « x » en °C?

Prob. 2.- Un recipiente de vidrio pyrex tiene una masa de 4 kg y una temperatura de50 °C. En el mismo se introducen 3 litros de agua a 10 °C; calcular (en °C) la

temperatura final de equilibrio. Ce(Vidrio pyrex) = 0,25 cal/g·°C.

Rpta: x = 35 °C

Rpta: T E = 20 °C


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Prob. 3.- En un recipiente de 60 cal/°C de capacidad calorífica que seencuentra a 60 °C vertemos 20 g de agua a 80 °C y 40 g de agua a 20 °C. ¿A

qué temperatura (°C) se establece el equilibrio?

Prob. 4.- Se dan dos recipientes uno a 10 °C y el otro a 80 °C. ¿Cuánta agua sedebe tomar de cada uno para tener 100 g de agua a 38 °C?

Rpta: T e = 50 °C

Rpta: m1 = 60 g y m2 = 40 g


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CAMBIOS DE FASE

Definición de FaseSe define como fase de una

sustancia (materia concentrada) a la

condición en que ésta presenta una

composición uniforme y homogénea

en la que sus partes exhiben iguales

características físicas y químicas.

Fases de las sustanciasBajo determinadas

condiciones de presión y

temperatura, las fases de la

sustancia pueden ser: Sólido,

Líquido y Vapor.

Cambios de FaseSi una sustancia absorbe o libera calor, bajo determinadas condiciones de presión y

temperatura, entonces esta sufre cambios de fase manteniendo constante ambas

propiedades.


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FUSIÓN - SOLIDIFICACIÓN

FusiónFusión es el paso de un cuerpo de la fase sólida a la fase

líquida. Al hablar de la fusión se sobreentenderá siempre que

se trata de un sólido cristalino excepto cuando se especifique

lo contrario.

SolidificaciónSolidificación llamada también congelación, es el paso de la

fase líquida a la sólida y es el proceso inverso de la fusión.

Calor latente de Fusión - SolidificaciónDenominamos así a la cantidad de calor que requiere la

unidad de masa de una sustancia sólida que encontrándose

en su temperatura de fusión (o de solidificación), le permite

cambiar de fase sin alterar su temperatura. En general su valores propio para cada sustancia y viene dado por:

F

F

QL

m

Unidades: (L) = cal/g, kcal/kg, BTU/lb, J/kg

S

S

QL

mF S

L L


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VAPORIZACIÓN - CONDENSACIÓN

VaporizaciónLa vaporización es el paso de un cuerpo de la fase líquida a la fase gaseosa, en donde el

gas es muy denso llamado vapor . Esta transformación se llama evaporación si sólo se

produce en la superficie del líquido, y se llama ebullición si se da en el interior del líquido.

CondensaciónLa condensación es el paso de una sustancia en forma de vapor a

la fase líquida y ésta se realiza cuando las moléculas del vapor

disminuyen su movilidad debido a una liberación de energíaprovocando un acercamiento entre ellas. La condensación es un

proceso de calentamiento pues el calor que liberan las moléculas

que se condensan la ganan los cuerpos que se encuentran en

contacto con ellas.

Calor latente de Vaporización - Condensación

Es la cantidad de calor que requiere absorber o ceder la unidadde masa de un líquido o vapor respectivamente, para cambiar

de fase cuando se encuentra en su temperatura de ebullición o

condensación, sin alterar su temperatura.

V

V

QL

m

C

C

QL

m V C

L L


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Prob. 14.- Determinar la cantidad de calor expresada en kilocalorías que serequiere para cambiar de fase 1 kg de hielo desde su punto de fusión hasta su

total ebullición.

Prob. 15.- ¿Qué cantidad de hielo a 0 °C se requiere mezclar con un kilogramode agua para bajar su temperatura desde 80 °C a 40 °C?


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Prob. 17.- ¿Cuántos gramos de hielo a temperatura t = -8 °C se fundirán almezclarse con 1,05 kg de agua a la temperatura de 60 °C?

Prob. 18.- Un calorímetro cuyo equivalente en agua es de 50 g contiene 300 gde agua a la temperatura de 28 °C. Si se introducen 20 g de hielo a 0 °C, ¿cuál

será aproximadamente la temperatura final de equilibrio?

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