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CALOR

Temperatura Escala Termométrica Calorimetría: calor específico Cambios de estado: calor latente Equivalente mecánico del calor Regulación de la temperatura corporal

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EL CALOR y LA TEMPERATURA Pedro, cierra la ventana. Que no salga el calor.

¡Que

no salga el calor!!!

¡O que entre el frío!!!

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Pedro, ahora te contaré la historia del Calor Antiguamente se creía que el calor era una sustancia presente en los cuerpos calientes a la que denominaron CALÓRICO, (en la actualidad sólo es vigente el nombre con el que se denomina CALORÍA a la unidad de calor). En 1798, BENJAMÍN THOMPSON revolucionó la ciencia cambiando la concepción sobre el calor, relacionándolo con el movimiento molecular. Años después, JAMES PRESCOTT JOULE sustentó el movimiento molecular con la producción de un trabajo mecánico.

Encontramos fuentes naturales de energía térmica tales como...

Sol

Volcán

Fogata

fuentes artificiales de energía térmica tales como la combustión del gas propano de la cocina.

2 C3H8+ 10 02 Propano

6 CO2 + 8 H2O + Anhídrido Carbónico 4

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Entonces…… ¿Qué es el calor? El calor es energía en tránsito. Es decir, un flujo de energía...

El CALOR es una cantidad de Energía Térmica que se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a otro con menor temperatura, por efecto de colisiones atómicas individuales.

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¿qué es ENERGÍA TÉRMICA?

hielo Agua hirviendo

CALOR

ENERGÍA TÉRMICA

Una medida de la Energía Térmica es la TEMPRATURA que está relacionada con la energía cinética de los átomos de una sustancia que tiene un movimiento aleatorio y desordenado.

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A nivel microscópico T está asociada al movimiento de las moléculas ENERGIA INTERNA TOTAL

La temperatura está relacionada con el valor promedio de la energía cinética de traslación ENERGIA CINETICA TRASLACIONAL

ENERGIA CINETICA

ENERGIA POTENCIAL DE LAS MOLECULAS

ENERGIA VIBRACIONAL

ENERGIA ROTACIONAL

Partic -temp

A

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Temperatura (T) Es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media). Es una magnitud “intensiva”, es decir, no depende de la masa del sistema. Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio térmico). Para medir T se utilizan los termómetros que se basan en la dilatación de los líquidos (normalmente mercurio).

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La temperatura tiene escalas cuyos puntos de referencia en las escalas relativas son:

la temperatura de fusión y ebullición del agua.

Y el cero absoluto (en la escala absoluta) cuya unidad de medida es el kelvin

EVAPORACIÓN DELAGUA

CONGELACIÓN DEL AGUA CERO ABSOLUTO 9

Escalas relativas

Punto de ebullición del agua (1atm) Punto de solidificación del agua (1atm)

Cero absoluto

Escala absoluta

ºC

ºF

K

100

212

373

32

273

-460

0

0

-273

Las relaciones de conversión de una escala de temperatura a otra se obtienen: Dividiendo Temperatura/ divisiones

°C = °f-32 = K-273 100 180 100

°C = °f-32 = K-273 5 9 5

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Para construir un termómetro se tiene en cuenta una PROPIEDAD TERMOMÉTRICA

PROPIEDAD TERMOMÉTRICA: propiedad física que varía con la temperatura  Longitud de una barra de hierro  Altura de una columna de mercurio  Resistencia eléctrica de un metal  Presión de un gas a volumen constante

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Termómetro de gas a volumen constante

Alcohol

EXISTEN VARIOS TIPOS DE TERMÓMETROS.

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TEMPERATURA DE ALGUNOS FENÓMENOS FÍSICOS FENÓMENOS

ºC

CERO ABSOLUTO

-273

EBULLICIÓN DEL OXIGENO

-183

HIELO SECO (CO2)

-79

CONGELACIÓN DEL AGUA

0

TEMPERATURA DEL CUERPO

37

EBULLICIÓN DEL ALCOHOL

78

EBULLICIÓN DEL AGUA

100

FUSIÓN DEL PLOMO

327

FUSIÓN DEL HIERRO

1.530

LLAMA DEL MECHERO

1.870

LLAMA PARA SOLDAR

3.500

FILAMENTO DE UN FOCO

2.500

SUPERFICIE DEL SOL

6.000

ARCO DE SOLDADURA

6.020

EXPLOSIÓN BOMBA ATÓMICA

40.000.000

EL INTERIOR DE LAS ESTRELLAS

4.000.000.000

Al aportar energía térmica a un sistema, éste aumenta su temperatura al igual que su energía interna, dependiendo de tres factores.

Ti

Tf

Animación

Éstos son:  Aumento de temperatura deseado

∆ T.

 La masa de sustancia del sistema (m)  Su calor específico (Ce) : es la energía térmica necesaria para aumentar un grado de temperatura a un gramo de la sustancia considerada.

[Ce] = cal/gr ºC

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Esto se resume en la siguiente ecuación fundamental de la calorimetría

Calor sensible Q = m Ce (Tf – Ti) [Q]= caloría

∆ T = (Tf – Ti)

[Ce] = cal/gr ºC

La CALORÍA es la cantidad de energía térmica que hay que suministrar a un gramo de agua en estado líquido para elevar su temperatura de 14,5ºC a 15,5ºC. Ce = Calor específico depende de la sustancia, temperatura y el estado de agregación de la materia

CALOR ESPECÍFICO DE ALGUNAS SUSTANCIAS SÓLIDOS

TEMPERATURA (C)

CALOR ESPECIFICO (cal / gr ºC)

ALUMINIO

20

0.214

LATON

20

0.094

COBRE

20

0.093

VIDRIO

20

0.161

CUERPO HUMANO (valor medio)

37

0.83

HIERRO

20

0.115

AGUA (hielo)

0

0.50

MADERA

20

0.42

PLOMO

20

0.031

-190

0.232

ALCOHOL ETILICO (sólido)

LIQUIDOS AGUA

15

1.0

100

1.0072

ALCOHOL ETILICO

0

0.535

MERCURIO (Hg)

20

0.0332

AIRE

100

0.240

CO2

15

0.199

O2

15

0.218

N2

15

0.248

GASES

AGUA (vapor) ALCOHOL ETILICO

(vapor)

100

0.45

100

0.824

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¿Qué es un CALORÍMETRO?

Se puede medir el calor de una reacción química o un cambio físico, utilizando un equipo que se denomina CALORÍMETRO (cumple con el principio de las mezclas).

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Método de mezclas •Cuando se mezclan dos sustancias con temperaturas diferentes(1) • Se produce una transferencia de energía térmica (2) • El sistema alcanza una temperatura final. (3) Dicha temperatura final recibe el nombre de TEMPERATURA DE EQUILIBRIO

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2

3

entonces la fórmula para hallar esta temperatura ¿será?………

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Método de mezclas Obviamente, si un cuerpo adquiere energía térmica, es porque otro lo cede, de forma que: Q entregado = - Q recibido mA· ceA· (Teq– T0A) = – mB· ceB· (Teq– T0B) Sea A el cuerpo de mayor temperatura (entregará) y el B de menor temperatura (absorberá) Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (Teq):

Teq  To Teq  To

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METODO DE MEZCLA Cálculo del csol - QE = Q R m csol (Teq – T0sol) = - ma ca (Teq –T0a ) ?

csólido ??

t [°C]

t0 sólido

t

equil

T0 a

Q [cal] Qentregado = - Qrecibido

ANIMACION

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CAMBIO DE FASE Cuando un cuerpo pasa de una fase a otra se llama cambio de fase, y esto sólo sucede cuando los cuerpos experimentan una ganancia o pérdida de calor. Siempre a una presión y temperatura determinada.

Líquido

Calor latente LV

Q= m L

LF LC = -LV LS = -LF LSub Sólido

Sublimación

Gas

Donde: Q = Calor absorbido o perdido m = masa de la sustancia L = calor latente de la sustancia

LS = -LSub

CALOR LATENTE depende de la sustancia y del tipo de cambio de estado SUSTANCIA

PF (C)

LF ( cal/gr)

PE (C)

L V (cal/gr)

0

80

100

540

ALCOHOL ETILICO

-114

24.9

78

204

AZUFRE

119

13.2

444

50

OXIGENO

-219

3.3

-1.83

48

Hg

-39

2.82

357.0

65

PLOMO

327

5.8

1750

201

COBRE

1083

51.16

2566

1179

MERCURIO

- 39

2.8

357

65

AGUA

Lfusión = -Lsolidificación Lf = -Ls

Lvaporización = -Lcondensación Lv = -Lc

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ESQUEMA DE FLUJO DE CALOR PARA EL AGUA

Qf = Lf . m

Qv = Lv . m

Lf = 80 cal

Lv = 540 cal

Q fusión

Q vaporación

Q sólido

Q líquido

Calor sensible

Hielo -273

Q Vapor calor sensible

Calor sensible

Vapor

Agua 0

100

TºC

En tus problemas aplicarás éstas fórmulas, tomando en cuenta la fase en que se encuentre la materia.

Si se produce:  Aumento su temperatura: CALOR SENSIBLE Q = m. ce . T Ce depende del estado de agregación de la materia. T signo (+) cuando recibe calor   

Si se produce: Cambio de estado físico: CALOR LATENTE QF = LF · m QV = LV · m QF = - QS QV = - QC

El valor y signo de L tiene en cuenta el cambio de fase que se está produciendo. Lf y L c signo(+) recibe calor

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Calor sensible

Calor latente

Q = m Ce (Tf – Ti)

Q= m L

calor latente de fusión agua Lf=80cal/gr

Qtotal = Qsólido

calor latente de ebullición o de condensación del agua Lv=540cal/gr

+ m Lf +

Qliq +

m Lv

+

Qvap A

JOULE determinó Equivalente mecánico del calor Cuando las pesas pierden energía potencial, el agua se calienta:

h

1 kcal = 4186 J 1 cal = 4,186 J animación

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Ayer te observe comiendo en el recreo… Te gusta mucho las hamburguesas, helados y tortas ¿No?.

Sí, me encantan y con bastantes cremas. ( Ya me provocó un )

¿Sabías que los alimentos que consumimos nos dan energía térmica; esta energía no es almacenable pero podemos medirla por los efectos que produce?

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Aquí te muestro cuantas Kilocalorías tienen algunos alimentos comúnmente consumidos.

Sustancia

Kcal

Torta de Chocolate (Tajada delgada)

140

Bola de helado de vainilla

145

Pan con mermelada

225

Un sorbo de licor

105

Por lo visto tengo mucha energía potencial por todo lo que he comido hoy.

Equivalencia entre la caloría y la unidad de trabajo: (Equivalente mecánico del calor) 1cal = 4,186J 1J = 0,24cal

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¿POR QUÉ LOS LAGOS SE CONGELAN DESDE LA SUPERFICIE HACIA EL FONDO?

Aunque no lo creas este proceso tiene un gran valor ecológico. Por ejemplo, si consideramos los cambios de temperatura de un lago en un clima frío, a medida que la temperatura del agua cercana a la superficie disminuye, aumenta su densidad (máximo valor) hasta que la temperatura llega a 4ºC aprox. Cuando la temperatura desciende por debajo de este valor, la densidad del agua comienza a disminuir de modo que el agua no se va al fondo. El agua de la superficie con mayor enfriamiento comienza a congelar, el hielo formado no se hunde porque es menos denso que el líquido constituyéndose en un aislante térmico que favorece la vida debajo de él.

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¿CÓMO OCURRE EL PATINAJE SOBRE HIELO? Sabías que la presión ejercida por el patinador, en el hielo disminuye su punto de fusión, y la película de agua formada bajo las navajas de los patines actúa como lubricante entre éstos y el hielo lo que permite su fácil deslizamiento sobre el hielo. Explicado por el Equilibrio hielo-agua. La pendiente negativa de la curva sólido-líquido significa que el punto de fusión del hielo disminuye con el aumento en la presión externa.

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¿CÓMO SE PRODUCE EL COCIMIENTO DEL HUEVO EN LA CIMA DE UNA MONTAÑA?

Suponiendo que se encuentre en la cima del Pico Pike (colorado Estados Unidos) a una altura de 14 000 pies sobre el nivel del mar, a esta altitud la presión atmosférica es de 0,6 atm, así que para recuperar parte de las fuerzas usted decide hervir un huevo y ¡Oh…! Se da cuenta que el agua hierve a 86ºC, entonces usted procede a romper el cascarón y se da con la sorpresa de que aún no coció. ¿Qué sucede? Lo que en realidad cuece al huevo no es la acción de hervir, sino la cantidad de calor suministrada, la cantidad de calor generado es proporcional a la temperatura del agua y del tiempo que está a esa tempertura. Tal vez usted podría esperar 30 min. para cocer un huevo en ese lugar.

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Clase 10 / Calor  

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