Calorimetria y Transferencia de calor

CALORIMETRIA

Calor:

• Energía en transito de un cuerpo a otro exclusivamente por diferencia de temperaturas. Los cuerpos no almacenan calor sino energía interna.

jbj

Energía Interna:

• Es la energía interna total de un cuerpo, es decir, la suma de las energías moleculares: cinética y potencial.

Unidades de calor:

• La unidad de medida del calor en el Sistema internacional de unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Joule.
• Otra unidad amplia mente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilo caloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición.

1kcal = 1000 cal

• Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

1 cal = 4,184 J

• El BTU, (o unidad térmica brtaniaca) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrebheit, y equivale a 252 calorías.

 

Equivalente mecánico de calor:

• A comienzos del siglo XIX la gente estaba interesada en mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y de los cañones. Un hecho evidente era que después de algunos disparos los cañones se recalentaban hasta tal punto que se volvían inservibles. Esto llevó a la observación que debía existir una conexión entre las fuerzas mecánicas y químicas involucradas en el disparo y el "calórico" como se llamaba el calor en esa época.Fue Joule quien estableció la relación precisa entre energía mecánica y calor.El calor es transferencia de energía debido a diferencias de temperatura

 

• Por método eléctrico: Donde el la ENERGÍA INTERNA = TRABAJO ELÉCTRICO.

Capacidad calorífica:

• La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura de una determinada sustancia, indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión. 

Calorimetria:

• La calorimetria es la determinación del calor de especifico de sólidos y líquidos.

 

Cambio de fase de una sustancia:


Son los procesos a través de los cuales un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso isotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido.

• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión al continuar calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

• Sublimación: es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Calor latente:

• El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

• Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Calor sensible:

• Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico.

• El nombre proviene de la oposición a calor latente, que se refiere al calor "escondido", es decir que se suministra pero no "se nota" el efecto de aumento de temperatura, ya que por lo general la sustancia a la que se le aplica aumentará su temperatura en apenas un grado centígrado, como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se nota, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría".

Aplicaciones:

• Una de la aplicaciones es comprobar cuanto calor emiten dispositivos eléctricos y no ponerlo junto a materiales que pueden cambiar de estado y obstruir un circuito provocando en peor de los casos un corto circuito, pero también pueden paralizar todo el circuito y no sabes por que el del mal funcionamiento tan solo con saber uno de los temas mas importantes de la física podremos de inmediato saber el origen del problema y ahorrar dinero a la empresa de la cual trabaja ese circuito o dispositivo.

                      

                  TRANSFERENCIA DE CALOR 

En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

CONDUCCIÓN

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

CONVECCIÓN

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

RADIACIÓN

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

                                   TERMODINÁMICA  

La termodinámica es el nombre que se le da al estudio de los procesos en los que la energía se transfiere como calor y trabajo. El calor es una transferencia de energía causada por una diferencia de temperatura; el trabajo es una transferencia de energía por medios mecánicos, no por una diferencia de temperatura.

La termodinámica tiene dos grandes leyes, la primera de ella relaciona el trabajo y la transferencia de calor con el intercambio de energía interna de un sistema, y es un enunciado general de la conservación de la energía. La segunda ley de la termodinámica expresa limites en la capacidad para realizar trabajo útil, y con frecuencia se establece en términos de entropía, que es una medida de desorden.

Ley cero de termodinámica

Cuando dos sistemas físicos están en equilibrio con un tercer sistema, ellos están en equilibrio térmico entre si.

Primera ley de la termodinámica  

La energía interna es la suma de todas las energías de las moléculas contenidas en un sistema. Uno espera que la energía interna de un sistema aumente si se realiza trabajo sobre él, o si se le agrega calor sobre él. De manera similar, la energía interna disminuirá si el calor fluye hacia fuera del sistema o si el sistema realiza trabajo sobre los alrededores.

                                      

A partir de esto, es razonable extender el principio trabajo y energía y proponer una ley importante: el cambio en la energía interna en un sistema cerrado, ΔU, será igual a la energía agregada al sistema mediante calentamiento, menos el trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores. En forma de ecuación se escribe:

ΔU=Q - W

                                                                      

 Donde Q es el calor neto agregado al sistema y W es el trabajo neto realizado por el sistema, hay que tener cuidado y ser consistentes en conseguir las convenciones de los signos para Q y W. como W es el trabajo realizado por el sistema, entonces si se realiza trabajo sobre el sistema, W será negativo y U aumentara, de igual modo Q es positivo para el valor agregado al sistema, de modo que si el calor sale del sistema, Q es negativo.

PROCESOS TERMODINAMICOS PARA UN GAS IDEAL

La primera ley de la termodinámica puede aplicarse a varios procesos de un sistema formado por un gas ideal. En tres de los procesos se mantiene, se mantiene constante una variable termodinámica.

Proceso Isotérmico: un proceso isotérmico es un proceso es un proceso a temperatura constante, en este caso el camino del proceso se denomina isoterma, o línea de temperatura constante. La ley de los gases ideales puede escribirse como :

PV=nRT

Puesto que el gas permanece a temperatura constante, nRT es una constante , por lo tanto P es inversamente proporcional a V.

 

Proceso Isobárico:Si la presión no cambia durante un proceso, se dice que éste es isobárico. Un ejemplo de un proceso isobárico es la ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. En el punto de ebullición, la temperatura del agua no aumenta con la adición de calor, en lugar de esto, hay un cambio de fase de agua a vapor.

Proceso isocorico :Esta transformación se da a un volumen constante. Por lo tanto al no haber variación en el volumen, no se produce ningún trabajo. A continuación pondremos las fórmulas necesarias para la resolución de los problemas que s enos pueden presentar. Tengamos en cuenta que existen 4 procesos distintos en las transformaciones termodinámicas.

  

 Proceso adiabático: Esta transformación se da calor constante. Se produce sin perdidas ni ganancias de calor.

 

 

Tengamos en cuenta que existen 4 procesos distintos en las transformaciones termodinámicas
 

 

Proceso Isotérmico: Es el que se realiza a temperatura constante.

Proceso isobárico: Este se realiza a presión constante.

Proceso Isocórico: Se realiza a volumen constante.

Proceso adiabático: Se produce sin pérdidas ni ganancias de calor entre el sistema y el medio.

 

 

 

 

 

Segunda Ley de la Termodinámica

La 2ª Ley de la Termodinámica se aplica solamente a sistemas aislados, es decir, a sistemas en los cuales las transformaciones implicadas quedan todas incluídas en ellos (como es el caso de la "dilución homeopática"). En sistemas abiertos, en cambio, así como la energía puede pasar de un sistema a otro y entonces mientras uno la pierde, el otro la gana, pero el balance total es igual a cero, lo mismo acontece con la entropía: si un sistema gana en entropía, su alrededor (que es otro sistema) la pierde, pero el balance total es nulo. Vale decir, al sistema más su alrededor se le considera como un sistema aislado así se ha considerado al universo.

Aplicaciones

• La corriente eléctrica es uno de los numerosos fenómenos que pueden producir calor. En todos los conductores por los que pasan una corriente, hay una producción de calor, conocida con el nombre de efecto de joule; la transformación contraria directa, es decir de calor en electricidad, se observa en las pilas termoeléctricas y basta calentar una de las dos soldaduras de dos metales diferentes que forman parte de un circuito para que se engendre en el mismo una corriente. De ellos se deduce que existe energía eléctrica y que el paso de una corriente es en realidad un transporte de energía a lo largo de un circuito.

TERMOELECTRICIDAD

• La Termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian los fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría.

• Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constatan (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constatan. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio. Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto.

Refrigeración:  

• Es el proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable, evitar la deformación de ciertas sustancias, conservar ciertas propiedades.

Resistencia: 

 

• Todos los componentes de un circuito eléctrico exhiben en mayor o menor medida una cierta resistencia, capacidad e inductancia. La unidad de resistencia comúnmente usada es el ohmio, que es la resistencia de un conductor en el que una diferencia de potencial de 1 voltio produce una corriente de 1 amperio. La capacidad de un condensador se mide en faradios: un condensador de 1 faradio tiene una diferencia de potencial entre sus placas de 1 voltio cuando éstas presentan una carga de 1 culombio.

• Estas definiciones anteriores muestran un panorama general y teórico de las relaciones entre electricidad y termodinámica.