Temas:
- Teorema de Torricelli
- Escalas de temperatura
- Calor
- Transferencia de calor con cambio de fase
- Ley de intercambio de calor
- Leyes de los gases
El
físico Evangelista Torricelli fue el primero en calcular con qué velocidad sale
agua de una perforación. El teorema de Torricelli o principio de Torricelli es
una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido
contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de
la gravedad.
EJEMPLO:
La
temperatura es una magnitud física que indica la energía interna de un cuerpo,
de un objeto o del medio ambiente en general, medida por un termómetro.
Dicha
energía interna se expresa en términos de calor y frío, siendo el primero
asociado con una temperatura más alta, mientras que el frío se asocia con una
temperatura más baja. Las unidades de medida de temperatura son los grados
Celsius (ºC), los grados Fahrenheit (ºF) y los grados Kelvin (K). El cero
absoluto (0 K) corresponde a -273,15 ºC.
Fahrenheit:
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) era un físico alemán que inventó el
termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de
temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724. Fahrenheit originalmente
estableció una escala usando la temperatura de agua salada helada y la
temperatura del cuerpo humano. Haciendo que el intervalo entre el punto de
ebullición y congelamiento del agua salada fuera de 180 divisiones (y haciendo
que la temperatura del cuerpo fuese 98.6°F). La escala Fahrenheit es utilizada
en el (SUEU) Sistema Único de los Estados Unidos.
Celsius:
Anders Celsius (1701–1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala
centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de
ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un
método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la
diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición
del agua en 100 divisiones (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado).
Después de la muerte de Celsius, la escala centígrada fue llamada escala
Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijó en 0°C y el punto de
ebullición del agua en 100°C. La escala Celsius toma precedencia sobre la
escala Fahrenheit en la investigación científica porque es más compatible con
el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI) del sistema
métrico. Además, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la
mayoría de países en el mundo.
Kelvin:
La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K).
Lord William Kelvin (1824–1907) fue un físico Escocés que inventó la escala en
1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura
teórica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar
ninguna energía.
ΔT = (Temperatura final – Temperatura inicial)
El
calor se define como la energía en tránsito cedida o absorbida entre dos
cuerpos, cuyas masas se encuentran a temperaturas que varían en un número
determinado de grados, es decir, dichos cuerpos se encuentran a diferentes temperaturas.
En
nuestra vida cotidiana estamos en contacto directo con los cuerpos que nos
rodean (llaves, platos, metales en casa) los cuales tienen diferentes
temperaturas, siendo capaces de establecer diferencias entre los cuerpos
calientes y los menos calientes, pero no podemos determinar la cantidad de
calor que poseen los cuerpos por simple contacto con ellos, necesitamos de algo
más determinante. Así como la termometría nos muestra las escalas para la
medición de la temperatura, la Calorimetría nos muestra las unidades para
cuantificar el calor.
FORMULA:
Capacidad
Calorífica (C) se define como la relación existente entre la cantidad de calor
ΔQ que recibe y su correspondiente elevación de temperatura ΔT. Su ecuación
matemática sería:
Las
unidades en que se puede expresar la Capacidad Calorífica pueden ser: Cal/°C,
Kcal/°C, J/°C, J/ºk o BTU/°C.
La fórmula que nos permite determinar la cantidad de calor (Q) cedida o absoluta por un cuerpo de masa y calor específico, cuando su temperatura inicial varía hasta la temperatura final se puede calcular mediante la fórmula:
Dentro
del mundo que nos rodea es un hecho conocido que cuando aplicamos o extraemos
calor a una determinada sustancia, pueden suceder dos cosas:
1.
Que al aplicar o extraer calor a la sustancia, esta simplemente aumente o
disminuya su temperatura, manteniéndose intacto su estado de agregación o
físico.
2.
Que al aplicar o extraer calor a la sustancia, se genere en ésta un cambio de
fase o estado de agregación.
Cuando
hablamos de cambio de fase debemos considerar que todas las sustancias
requieren de una determinada cantidad de calor para que sus moléculas obtengan
una mayor cantidad de energía, de manera que equilibren sus fuerzas de
repulsión o la energía sea tal que sus fuerzas de repulsión sean mayores que
las fuerzas de atracción y la sustancia pueda pasar a la siguiente fase o
estado de agregación. Es importante señalar que durante los cambio de fase el
calor aplicado o extraído a las sustancias no se refleja en un aumento o
decremento en la temperatura, es decir, durante los cambios de fase la
temperatura no varía.
Calor
latente es el calor administrado a una sustancia para que lleve a cabo su
cambio de fase o estado de agregación, sin que se refleje en ella, ninguna
variación en su temperatura.
Calor
sensible es el calor administrado a una sustancia que refleja en ella, una
variación en su temperatura.
Problemas de transferencia de
calor con cambios de estado
3) Se tienen 70 g de hielo a
una temperatura de -15°C y se quieren transformar 70 g de vapor de agua a una
temperatura de 130°C. El calor específico del hielo es 0.530 Cal/g-°C; el calor
latente de fusión es 80 Cal/g, el calor específico del agua es 1 Cal/g-°C, el
calor latente de vaporización del agua es 540 Cal/g y el calor específico del
vapor de agua es 0.48 Cal/g-°C.
Para resolver este problema se
deben realizar los siguientes pasos:
Paso 1. Calcular el calor
requerido (Q1) para pasar el hielo de T= -15°C a hielo a T= 0°C
(Temperatura de fusión)
Paso 2. Calcular el calor
requerido (Q2) para realizar el cambio de fase del hielo (0°C), del
estado sólido al estado líquido, manteniéndose la misma temperatura (0°C).
Paso 3. Calcular el calor
requerido (Q3) para pasar el agua de una temperatura de 0°C a una
temperatura de 100°C.
Paso 4. Calcular el calor
requerido (Q4) para realizar el cambio de fase del agua a una
temperatura de 100°C del estado líquido al estado de vapor a 100°C, manteniéndose
la temperatura constante.
Paso 5. Calcular el calor
requerido (Q5) para pasar el vapor de agua de una temperatura de
100°C a una temperatura de 130°C.
Un
gas se caracteriza porque sus moléculas están muy separadas unas de otras,
razón por la cual carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del
recipiente que los contiene. Son fluidos como los líquidos, pero se diferencian
de éstos por ser sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión
entre sus moléculas. De acuerdo con la teoría cinética molecular, los gases
están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas
elásticas en constante movimiento, chocando entre sí y contra las paredes del
recipiente que lo contiene. Cuando la temperatura de un gas aumenta, se
incrementa la agitación de sus moléculas y en consecuencia se eleva la presión.
Pero, si la presión permanece constante, entonces aumentará el volumen ocupado
por el gas. Si un gas se comprime, se incrementan los choques entre sus
moléculas y se eleva la cantidad de calor desprendida, como resultado de un
aumento en la energía cinética de las moléculas.
Todos
los gases pueden pasar al estado líquido siempre y cuando se les comprima a una
temperatura inferior a su temperatura crítica. La temperatura crítica de un gas
es aquella temperatura por encima de la cual no puede ser licuado
independientemente de que la presión aplicada sea muy grande. Los gases licuados
tienen muchas aplicaciones, tal es el caso del oxígeno líquido utilizado en la
soldadura autógena o el hidrógeno líquido que sirve como combustible de las
naves espaciales. Los gases cuyo punto de ebullición se encuentra cercano a la
temperatura del medio ambiente, generalmente se conservan en estado líquido a
una alta presión en recipientes herméticamente cerrados, como son los tanques
estacionarios o móviles en los que se almacena gas butano de uso doméstico, o
el gas de los encendedores comerciales de cigarrillo.
Sus
consideraciones principales son:
1.
Los gases están constituidos por moléculas de igual tamaño y masa para un mismo
gas, pero serán diferentes si se trata de gases distintos.
2.
Las moléculas de un gas contenido en un recipiente se encuentran en constante
movimiento, razón por la cual chocan entre sí o contra las paredes del
recipiente que las contiene.
3.
Las fuerzas de atracción intermoleculares son despreciables, pues la distancia
entre molécula y molécula es grande comparada con sus diámetros moleculares.
4. El volumen que ocupan las moléculas de un gas es despreciable en comparación con el volumen total del gas
EJEMPLOS:
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