CALORIMETRÍA
C
otidianamente estamos en contacto directo con los cuerpos de diferentes temperaturas, somos capaces de establecer diferencias entre lo caliente y lo frío, pero no podemos determinar la cantidad de calor que poseen los cuerpos por el simple contacto con ellos, necesitamos de algo más. Así como la Termometría nos muestra las escalas para la medición de la temperatura, la Calorimetría nos muestra las unidades para cuantificar el calor. CALORIMETRÍA Es la rama de la física que estudia la medición de las cantidades de calor, ó sea las cantidades de energía que intervienen en los procesos térmicos. La unidad de calor apropiada en el sistema (S.I.) en M.K.S. es el Joule. Sin embargo se utiliza todavía con mucha frecuencia la caloría.
CALORÍA Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua, en un grado Centígrado. La unidad de calor en el sistema inglés, es la unidad térmica británica (BTU)
BTU Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Uno de los usos más comunes de ésta unidad, es en los sistemas de aire acondicionado doméstico y comercial donde su capacidad se calcula en BTU. Ejemplo: 12000 BTU es igual a una tonelada de enfriamiento. Una Kcal = 3. 97 BTU Una caloría (cal) =4.18 Joules Una Kilocaloría =4186 Joules Un BTU = 778 ft.lb =0.252 Kcal ¿Porqué cuando dejas un bate de aluminio de beisbol al sol, al quererlo tomar lo sueltas inmediatamente? Porque está caliente y te quemas la mano. ¿Qué fue lo que sucedió? El bate incrementó su temperatura por el tiempo que estuvo expuesto al sol. ¿Pasaría lo mismo si fuera de otro material?
Cada material posee diferentes capacidades de incrementar su temperatura, en relación con el tiempo de exposición a la fuente de calor.
CAPACIDAD CALORÍFICA (C ) Es la relación del calor suministrado con respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo.
C=
Q ∆T
La unidad de la capacidad calorífica en el S.I. es la razón Joules y Kelvin (J/K); pero el intervalo Celsius es el mismo que el Kelvin, sin embargo se utiliza con más frecuencia el Joule sobre grados Celsius (J/°C). Otras unidades son las calorías sobre grados Celsius (Cal/°C), y los BTU sobre grado Fahrenheit (BTU/°F). Cuando el calor fluye a un objeto, su energía térmica se incrementa al igual que su temperatura, en relación con su tamaño y el material con que esta hecho. Los valores constantes que nos permiten determinar estas cantidades de calor, se conocen como calor específico del material.
CALOR ESPECÍFICO Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa.
c=
C m
c= calor específico. (cal/g 0C ó BTU/Lb 0F) C= capacidad calorífica. (cal/0C ó BTU/0F) m= masa. (g ó Lb) Q= cantidad de calor. (cal. ó BTU) ∆T= cambio de temperatura. (0C ó 0F)
ó c=
Q m∆T
TABLA: SUSTANCIAS Aluminio Latón Cobre Alcohol etílico Vidrio Oro Hielo Hierro Plomo Mercurio Plata Vapor Acero Zinc Agua
CALORES ESPECÍFICOS J/Kg °C
cal/g °c, ó BTU/ Lb °F
920 390 390 2500 840 130 2300 470 130 140 230 2000 480 390
0.220 0.094 0.093 0.600 0.200 0.030 0.500 0.113 0.031 0.033 0.056 0.480 0.114 0.092 1.000
Por ejemplo: el calor específico del agua es muy alto comparado con otras sustancias, como se muestra en la tabla anterior. Esta cualidad se utiliza en los radiadores de los autos para enfriar el motor.
La cantidad de calor absorbida o liberada por un cuerpo de masa y calor específico dados cuando Su temperatura varía, se calcula con la relación:
Q = mc∆T
EJERCICIOS RESUELTOS
1.-Un bloque metálico se encuentra inicialmente a una temperatura de 30 °C. Al recibir una cantidad de calor de 390 calorías. ¿Cuál es el valor de la capacidad térmica?
Datos
Fórmulas C=
T= 30°C
Desarrollo 390cal C= 30oC
Q ∆T
Q=390cal c=?
C = 13 cal/°C
2.-Un bloque de vidrio cuya masa es de 180 g y se sabe que su capacidad térmica es de 36 cal/°C. ¿Cuál es el valor del calor específico del vidrio?
Datos m= 180 g
Fórmulas c=
C m
Desarrollo c=
36cal / 0C 180 g
C = 36 cal/°C c=?
c = 0.2 cal/g°C
3.-En una esfera de metal se encontró que su masa es de 15 g. Y su cantidad de calor es 8.5 cal y su diferencia de temperatura es de 10°C. a) ¿Cuál es el valor del calor específico? b) ¿De que material es la esfera? (Ya que obtengas el resultado de la pregunta anterior, localiza el material en la tabla de Calores Específicos.)
Datos m = 15g Q = 8.5 cal ∆T = 100C c=?
Fórmulas
Desarrollo
Q m∆T
c=
c=
8.5cal (15 g ) 100C
(
)
c= 0.056 cal/g°C Material = plata
4.-Un bloque de cobre cuya masa es de 250g, absorbe calor y su temperatura se eleva de 20°C a 150 °C. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida por el bloque?
Datos m = 250g.
Fórmulas
Q = mc∆T
cal 0 0 Q = 250 g 0.093 g .0 C 150 C − 20 C
(
T1 = 20°C T2 = 150°C c cobre = 0.093 cal/g 0C Q=?
Desarrollo
∆T =(T2 - T1)
) cal 0 Q = 250 g 0.093 g .0 C 130 C
(
)
Q = 3.02x10³ cal