Calorimetría Es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con los intercambios de energía térmica. Esta energía en tránsito se llama calor y se produce debido a la diferencia de temperatura entre los cuerpos.

El término calorimetría está formado por dos palabras: "calor" y "medidor". Del latín, "calor" representa la calidad de lo que está caliente, y "medidor" del griego significa medida.

Calor

El calor representa la energía transferida de un cuerpo a otro, únicamente en función de la diferencia de temperatura entre ellos.

Este transporte de energía en forma de calor siempre ocurre desde el cuerpo de temperatura más alta al cuerpo de temperatura más baja.

Una hoguera nos calienta a través de la transferencia de calor.

Con los cuerpos aislados térmicamente del exterior, esta transferencia se producirá hasta que alcancen el equilibrio térmico. (temperaturas iguales).

También vale la pena mencionar que un cuerpo no tiene calor, tiene energía interna. Por lo tanto, solo tiene sentido hablar de calor cuando se transmite esta energía.

La transferencia de energía en forma de calor cuando produce un cambio en la temperatura corporal se denomina calor sensible.. Cuando genera un cambio en su estado físico, se llama calor latente.

La magnitud que define esta energía térmica en tránsito se denomina cantidad de calor (Q). En el Sistema Internacional (SI), la unidad de cantidad de calor es el julio (J).

Sin embargo, en la práctica, también se usa una unidad llamada caloría (cal). Estas unidades tienen la siguiente relación:

1 cal = 4.1868 J

Ecuación Fundamental de Calorimetría

La siguiente fórmula puede calcular la cantidad de calor sensible que recibe o administra un cuerpo:

Q = m. c. ΔT

Ser:

Q: cantidad de calor sensible (J o lima)
m: masa corporal (kg o g)
c: calor específico (J / kg ° C o cal / g ° C)
ΔT: rango de temperatura (° C), es decir, temperatura final menos temperatura inicial

Calor específico y capacidad térmica

El calor específico (c) es la constante de proporcionalidad de la ecuación fundamental de calorimetría. Su valor depende directamente de la sustancia que constituye el cuerpo, es decir, del material que está hecho.

Ejemplo: el calor específico del hierro es 0.11 cal / g ° C, mientras que el calor específico del agua (líquido) es 1 cal / g ° C.

Podemos definir otra cantidad llamada capacidad térmica. Su valor está relacionado con el cuerpo, teniendo en cuenta su masa y la sustancia de la que está hecho.

Podemos calcular la capacidad térmica de un cuerpo mediante la siguiente fórmula:

C = m.c

Ser

C: capacidad térmica (J / ºC o cal / ºC)
m: masa (kg o g)
c: calor específico (J / kg ° C o cal / g ° C)

Ejemplo

Se colocaron 1,5 kg de agua en un recipiente a temperatura ambiente (20 ° C). Cuando se calienta, su temperatura se eleva a 85 ºC. Considerando que el calor específico del agua es 1 cal / g ° C, calcule:

a) la cantidad de calor recibido por el agua para alcanzar esta temperatura
b) la capacidad térmica de esta porción de agua

Solución

a) Para encontrar el valor de la cantidad de calor, debemos sustituir todos los valores dados en la ecuación fundamental de calorimetría.

Sin embargo, debemos prestar especial atención a las unidades. En este caso, la masa de agua se informó en kilogramos, ya que la unidad de calor específica está en cal / g ºC, convertiremos esta unidad a gramo.

m = 1,5 kg = 1500 g
ΔT = 85-20 = 65 ° C
c = 1 cal / g ºC
Q = 1500. 1) 65
Q = 97 500 cal = 97,5 kcal

b) El valor de la capacidad térmica se encuentra sustituyendo los valores de la masa del agua y su calor específico. Una vez más, utilizaremos el valor de masa en gramos.

C = 1. 1500 = 1500 cal / ° C

Cambio de estado

También podemos calcular la cantidad de calor recibido o administrado por un cuerpo que generó un cambio en su estado físico.

Con este fin, debemos señalar que durante el período en que un cuerpo cambia su fase, su temperatura es constante.

Así, el cálculo de la cantidad de calor latente se realiza utilizando la siguiente fórmula:

Q = m.L

Ser:

Q: cantidad de calor (J o lima)
m: masa (kg o g)
L: calor latente (J / kg o cal / g)

Ejemplo

¿Cuánto calor convierte un bloque de hielo de 600 kg a 0 ° C en agua a esta temperatura? Suponga que el calor latente del hielo derretido es de 80 cal / g.

Solución

Para calcular la cantidad de calor latente, reemplace los valores dados en la fórmula. Sin olvidar transformar las unidades cuando sea necesario:

m = 600 kg = 600 000 g
L = 80 cal / g ºC
Q = 600,000. 80 = 48 000 000 cal = 48,000 kcal

Intercambios de calor

Cuando dos o más cuerpos intercambian calor entre sí, esta transferencia de calor ocurrirá de manera que el cuerpo con la temperatura más alta cederá calor al que tenga la temperatura más baja.

En sistemas con aislamiento térmico, estos intercambios de calor ocurrirán hasta que se establezca el equilibrio térmico del sistema. En esta situación, la temperatura final será la misma para todos los cuerpos involucrados.

Por lo tanto, la cantidad de calor dada será igual a la cantidad de calor absorbido. En otras palabras, la energía total del sistema se conserva.

Este hecho puede ser representado por la siguiente fórmula:

Ser:

ΣQ: suma total de la cantidad de calor del sistema
Q1Q2, …, Qno: cantidad de calor dado o recibido por cada cuerpo, el calor recibido es positivo y el calor dado es negativo.

Flujo de calor

La transferencia de calor entre dos o más cuerpos ocurre con el tiempo. De esta manera podemos calcular este flujo de calor usando la siguiente fórmula:

Ser

ϕ: flujo de calor. La unidad de flujo de calor en SI es J / s, que se llama vatios (W). También puedes usar cal / s.
Q: cantidad de calor (J o lima).
Δt: intervalo de tiempo (s)

Propagación de calor

Propagación de calor entre cuerpos ocurre de tres maneras: conducción, convección e irradiación.

Conducción, convección e irradiación son las tres formas de transferencia de calor.

Conducir

En conducción térmicaLa propagación del calor se produce a través de la agitación térmica de átomos y moléculas. Esta agitación se transmite por todo el cuerpo siempre que haya una diferencia de temperatura entre sus diferentes partes.

Es importante tener en cuenta que esta transmisión de calor necesita un medio material para ocurrir. Es más efectivo en sólidos que en cuerpos fluidos.

Existen sustancias que permiten esta transmisión con mayor facilidad, son las conductores de calor. Los metales son generalmente buenos conductores de calor.

Por otro lado, hay materiales que conducen mal el calor y se llaman aislantes térmicosEste es el caso, por ejemplo, con espuma de poliestireno, corcho y madera.

Un ejemplo de esta transferencia de calor por conducción ocurre cuando agitamos una sartén sobre el fuego con una cuchara de aluminio.

En esta situación, la cuchara se calienta rápidamente y nos quema la mano. Por lo tanto, es muy común usar cucharas de madera para evitar este calentamiento rápido.

Convección

En convección térmicaLa transferencia de calor se produce al transportar el material calentado en función de la diferencia de densidad. La convección ocurre en líquidos y gases.

Cuando una parte de la sustancia se calienta, la densidad de esa parte disminuye. Este cambio de densidad crea movimiento dentro del líquido o gas.

La parte calentada subirá y la parte más densa bajará, creando lo que llamamos corrientes de conveccion.

Esto explica el calentamiento del agua en una sartén, que tiene lugar a través de las corrientes de convección, donde el agua que está más cerca del calor sube, mientras que el agua que está fría cae.

Irradiación

La irradiación térmica corresponde a la transferencia de calor por ondas electromagnéticas. Este tipo de transmisión de calor ocurre sin la necesidad de un medio material entre los cuerpos.

De esta manera, la radiación puede ocurrir sin que los cuerpos estén en contacto, por ejemplo, la radiación solar que afecta al planeta Tierra.

Al llegar a un cuerpo, parte de la radiación se absorbe y parte se refleja. La cantidad que se absorbe aumenta la energía cinética de las moléculas del cuerpo (energía térmica).

Los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de la radiación que los golpea, mientras que los cuerpos claros reflejan la mayor parte de la radiación.

De esta manera, los cuerpos oscuros cuando se colocan al sol elevan su temperatura mucho más rápido que los cuerpos de color claro.

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Ejercicio resuelto

1) Enem – 2016

En un experimento, un maestro deja dos bandejas de la misma masa, una de plástico y otra de aluminio, sobre la mesa del laboratorio. Después de unas horas, les pide a los estudiantes que evalúen la temperatura de las dos bandejas con el tacto. Sus alumnos afirman categóricamente que la bandeja de aluminio está a una temperatura más baja. Intrigado, propone una segunda actividad, donde coloca un cubito de hielo en cada una de las bandejas, que están en equilibrio térmico con el medio ambiente, y se pregunta cuál de ellas tendrá la velocidad de fusión más alta.

El alumno que responde correctamente la pregunta del profesor dirá que se producirá la fusión.

a) Más rápido en la bandeja de aluminio porque tiene una mayor conductividad térmica que el plástico.
b) más rápido en la bandeja de plástico, ya que inicialmente tiene una temperatura más alta que el aluminio.
c) más rápido en la bandeja de plástico porque tiene una mayor capacidad térmica que el aluminio.
d) más rápido en la bandeja de aluminio, ya que tiene un calor específico más bajo que el plástico.
e) tan rápido en ambas bandejas como tendrán el mismo rango de temperatura.

2) Enem – 2013

En un experimento, se usaron dos botellas de PET, una pintada de blanco y la otra negra, acopladas a un termómetro. En el punto medio de la distancia entre las botellas, se mantuvo encendida una bombilla durante unos minutos. Luego se apagó la lámpara. Durante el experimento, se monitorizaron las temperaturas de las botellas: a) mientras la lámpara permanecía encendida yb) después de que la lámpara se apagó y alcanzó el equilibrio térmico con el medio ambiente.

La tasa de variación en la temperatura de la botella negra en comparación con la botella blanca durante todo el experimento fue

a) igual en calentamiento e igual en enfriamiento.
b) mayor en calentamiento e igual en enfriamiento.
c) menor en calentamiento e igual en enfriamiento.
d) mayor en calentamiento y menor en enfriamiento.
e) mayor en calentamiento y mayor en enfriamiento.

3) Enem – 2013

Los calentadores solares utilizados en los hogares están destinados a elevar la temperatura del agua a 70 ° C. Sin embargo, la temperatura ideal del agua para un baño es de 30 ° C. Por lo tanto, el agua tibia se debe mezclar con agua a temperatura ambiente de otro depósito a 25 ° C.

¿Cuál es la relación entre el cuerpo de agua caliente y el cuerpo de agua fría en la mezcla para un baño de temperatura ideal?

a) 0.111.
b) 0.125.
c) 0.357.
d) 0.428.
e) 0.833