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CALORIMETRIA Es la parte de la física que estudia las transferencias de calor que se producen entre los cuerpos cuando se encuentran a diferentes temperaturas hasta que todos se encuentren a una misma temperatura común. EL CALOR (Q): es una forma de energía que se transmite de un “cuerpo” o “sistema” a otro, debido únicamente a una diferencia de temperaturas entre ambos, el calor viaja de un cuerpo caliente a otro frío, hasta que alcancen el equilibrio térmico. El calor se trasfiere de los “cuerpos calientes” hacia los “cuerpos fríos”. no se puede hablar de la cantidad de calor que almacena tal o cual cuerpo, pues el calor no es almacenable, el calor es una forma de energía en transito (en movimiento). los cuerpos no almacenan calor, mas bien podemos decir que almacenan energía que puede ser transferida en forma de calor. El calor por ser una forma de energía, debería expresarse en unidades de esta; pero como ya dijimos que antiguamente no se consideraba al calor como energía si no que se le consideraba como una sustancia invisible (llamado calorífico) , y por lo tanto le definieron unidades especificas que la fuerza de la costumbre hace que hasta hoy perduren. estas unidades son: la caloría, B.T.U. etc.

“Es la cantidad de calor que requiere un gramo de agua para elevar su temperatura en 1°C” (Exactamente de 14,5°C a 15.5°C)” También podemos decir que la caloría es la cantidad de calor que pierde un gramo de agua al enfriarse en 1ºC.

 KILOCALORÍA.- Se llama también gran caloría, es un múltiplo de la caloría, equivale a 1000 calorías 1 Kcal = 1000 cal Calor Específico (Ce): Se llama también capacidad calorífica especifica. El calor especifico de una sustancia: Es la cantidad de calor que requiere una unidad de masa de una sustancia para que varié en un grado su temperatura.

Ce 

Donde: Ce: calor especifico Q: calor m: masa T  TF  T0 Las unidades del calor especifico: cal

La unidad básica de la energía calorífica y la energía térmica, es el Joule ( J ) en el S.I., pero existen otras unidades que suelen emplearse en las mediciones de calor, las cuales vimos anteriormente estas se usaban comúnmente antes de que se conociera que el calor es una forma de energía. TRANSFERENCIAS DE CALOR: A. Por conducción.- El calor puede viajar dentro de un cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con el por medio de la agitación de las moléculas, de una zona de alta temperatura hacia otra de baja temperatura. Esto se da principalmente en los sólidos, siendo los metales los que mejor lo conducen, y en orden decreciente: la plata, el cobre, el oro, el aluminio,…, etc. Entre los malos conductores de calor podemos citar: el aire , la lana , la madera, el agua, etc.

gº C

,

Kcal Kgº C

Los líquidos y gases se calientan CONVECCIÓN.

,

J Kg.K

Capacidad Calorífica (K) (C) La capacidad calorífica de una sustancia: Es la cantidad de calor que requiere ganar toda la masa de una sustancia para que varíe en un grado su temperatura

K

Q T

Donde: K: capacidad calorífica (cal/°C) Q: cantidad de calor (calorías) T: variación de temperatura La capacidad calorífica es:

K

Los cuerpos sólidos metálicos se calientan por CONDUCCIÓN. B. Por convección.Debido, a que una elevación de temperatura disminuye la densidad, especialmente de líquidos y gases, entonces las masas calientes suben por ser menos densas y las frías bajan por ser mas densas, generándose un movimiento cíclico, que llamaremos convección. Este efecto se aprecia al hervir el agua, y en nuestra atmósfera es la causa de los vientos.

Q m. T

Q T

Remplazando el calor, tenemos: m.Ce . T K T

K  m.Ce Las unidades de la capacidad calorífica (k).-

cal Kcal J , , ºC ºC ºC

principalmente por

La representación de la capacidad calorífica: C. Por radiación.- Por experiencia sabemos que al acercarnos a una fogata sentimos el calor que proviene del fuego; algo similar sucede con el calor que nos llega desde el Sol cruzando el espacio vacío. Así, el calor puede viajar por radiación de ondas electromagnéticas y en el vacío.

Q

Q

Se comprueba que los cuerpos mejores emisores de energía radiante son también los mejores absorbentes, y el mejor de ellos es el cuerpo negro. El mejor reflector es el blanco.

 T

La transmisión de calor por radiación puede transcurrir a través del vacío.

T

UNIDADES DE LAQ CANTIDAD DE CALOR

K La Caloría: Es la unidad métrica para medir el calor se define así:

calor Variación de temperatura

CALORES ESPECÍFICOS Sustancia Ce: cal/gºC Agua 1,0000 Agua de mar 0,95 Alcohol 0,60 Hielo 0,501 Vapor de agua 0,528 Aire 0,240 Mercurio 0,030 Aluminio 0,211 Hierro, acero 0,110 Cobre 0,091 Oro 0,030 Plata 0,060 Plomo 0,029 Vidrio 0,202 Kerosene 0,514 Madera 0,648

CANTIDAD DE CALOR O CALOR SENSIBLE (Q): Se le conoce también como calor ganado o perdido y es la cantidad de calor que necesita un cuerpo para que varíe su temperatura en T.

Q  m.Ce.T Donde:

CAMBIO DE FASE 1. Fase: Es la parte de una sustancia que tiene constitución física homogénea y su composición química permanece inalterable. En la naturaleza, las sustancias pueden existir en cualquiera de las tres formas: fase liquida, fase sólida o vapor. También una sustancia puede encontrarse en las tres fases a la vez. El caso de que una sustancia se encuentra en dos fases a la vez es muy común. 2. Cambio de Fase: Es aquel fenómeno físico que consiste en el reordenamiento molecular que experimenta una sustancia como consecuencia de la ganancia o perdida de calor, bajo determinadas condiciones de presión y temperatura.

nd Co n ció sa en

ió ac riz po Va

ciò n

Liquido

Fu sió n

Q  Lm

El calor latente de fusión representa la cantidad de calor que debe recibir 1g. de una sustancia, cuando se encuentra a su temperatura de fusión para pasar de la fase sólida a la fase liquida. Para el hielo, su calor de fusión a 1 atm de presión es: cal L f  80 g C. Solidificación: Es el proceso inverso a la fusión, es decir, es el cambio de la fase liquida a la fase sólida. La solidificación ocurre en las mismas condiciones de presión y temperatura de la fusión, solo que en este caso habrá que extraer calor para que la sustancia pase de la fase liquida a la sólida. Calor latente de solidificación (L s ) : Es la cantidad de calor que se debe extraer a cada unidad de masa de la sustancia para cambiarla de fase liquida a fase sólida, cuando se encuentre a su respectiva temperatura de solidificación o de fusión. Lf  Ls

Formas de vaporización: Puede ser por evaporación o por ebullición.

 * aumento T  Tf  To  ΔT   * disminución

lid ific a

De donde:

Q cal Kcal J : , , m g Kg Kg

D. Vaporización: Se define como el proceso de cambio de fase liquida a fase gaseosa.

Q: calor sensible (ganado o perdido)  cal m: masa  gramos  Ce: calor especifico  cal / g ºC  T: variación de temperatura  ºC 

So

L

a. Evaporación: Es el paso espontáneo de las moléculas del liquido que están en contacto con el ambiente hacia la fase gaseosa.  La evaporación se realiza a cualquier temperatura especialmente en la superficie del liquido.  El proceso es sumamente lento, debido a la energía cinética que poseen las moléculas que se encuentran en su superficie libre del liquido. Este proceso no requiere entrega extra de calor, pues es un proceso natural b. Ebullición: Es la vaporización propiamente dicha y se realiza en forma forzada de una manera muy rápida en toda la masa del liquido. Este proceso requiere de la entrega de calor y se realiza a una temperatura adecuada denominada temperatura de ebullición. La cual se mantiene constante durante todo el proceso. Calor Latente de Vaporización: Es el calor que se debe entregar a cada unidad de masa de la sustancia liquida para cambiarla de fase liquida a fase gaseosa. El calor latente de vaporización del agua a 1 atm de presión es: cal L v  540 g E. Condensación: Es el proceso inverso a la vaporización. Ocurre a la misma temperatura de ebullición, pero habrá que extraer calor a ala sustancia que cambia de fase.

n

Sólido

Sublimación inversa

Gas

Sublimacion directa

A. Fusión: Es el cambio de fase sólida a fase liquida. Temperatura de fusión ( Tf ) : Es la temperatura alcanzada por un cuerpo en la cual esta en condiciones de cambiar de fase sólida a fase líquida. La temperatura de fusión depende de la presión ejercida sobre el cuerpo (Presión de fusión) B. Calor latente: Es el calor por unidad de masa que se le debe entregar a una sustancia para que cambie de fase.

Calor latente de condensación (Lc): Es la cantidad de calor que se le debe quitar a 1g. de vapor de una sustancia para cambiarla a la fase liquida, cuando se encuentra a su respectiva temperatura de condensación o de vaporización. L v  Lc Cantidad de calor latente: Es la cantidad de calor que recibe o pierde una sustancia durante el proceso de cambio de fase.

Q  Lm m: masa lL = L v si tiene vaporización o condensación lL = L f si tiene fusión o solidificación.

Diagrama: temperatura (T) vs calor (Q) (Para el agua):

Determinar la energía intercambiada una vez alcanzado el equilibrio térmico. (1cal=4,2J) a) 3,75MJ d) 4,50MJ

T(ºC)

100 0

hielo

hielo + agua

Q1

agua + vapor de agua agua Q2

Q3

vapor de agua

Q4

Q (cal)

b) 7,25MJ e) 7,50MJ

c) 5,25MJ

9. En un calorímetro de capacidad térmica despreciable se mezclan 30g de agua a 20ºC con 20g de hielo a 0ºC. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio? ¿Cuál será la composición final de la mezcla? a) 2ºC ; 30g (agua) ; 20g (hielo) b) 3ºC ; 10g (agua) ; 40g (hielo) c) 0ºC ; 37,5g (agua) ; 12,5g (hielo) d) 0ºC ; 40g (agua) ; 10g (hielo) e) 0ºC ; 50g (agua) ; 0g (hielo)

Observaciones:  Para que una sustancia cambie de fase, esta debe estar en su temperatura especial de cambio de fase.  Si esta en su temperatura de cambio de fase es necesario entregarle calor para que se produzca el cambio de fase. Q = Lm

10. en un recipiente de capacidad calorífica despreciable, se tiene 20g de hielo a -10ºC . Si se logra verter 20g de agua a 25ºC en dicho recipiente, determinar la composición final de la mezcla. a) 5g de hielo , 35g de agua liquida b) 10g de hielo; 30g de agua liquida c) 15g de hielo; 25g de agua liquida d) 4g de hielo; 36g de agua liquida e) 34g de agua liquida; 6g de hielo 11. Si en un calorímetro de capacidad calorífica despreciable se mezclan 6kg de hielo a 0ºC con 10kg de vapor a 100ºC. Determinar la temperatura final de equilibrio y la composición final de la mezcla.

1. Calcule el calor necesario para derretir 10g de hielo cuya temperatura es -20ºC. a) 700cal d) 850cal

b) 750cal e) 900cal

c) 800cal

2. Determine la cantidad de calorías que se le debe agregar a 10g de hielo que se encuentran a -10ºC para transformarlo en agua a 10ºC. a) 9820 b) 1000 c) 950 d) 900 e) 800 3. ¿Qué cantidad de calor se le debe extraer a 5g de vapor que esta a 100ºC para convertirlo en hielo a 0ºC ? a) 3,6Kcal b) 3,0Kcal c) 2,9Kcal d) 2,8Kcal e) 2,7Kcal 4. ¿Que cantidad de calor se debe proporcionar a 40g de hielo que se encuentran a una temperatura de -10ºC para transformar en vapor a 150ºC?. a) 30Kcal b) 25Kcal c) 20Kcal d) 40Kcal e) 45Kcal 5. Se introducen 10g de hielo a 0ºC en un calorímetro que contiene 200g de agua a 25ºC. Si no se toma en cuenta al calorímetro en el intercambio de calor. La temperatura final será? a) 30ºC b) 40ºC c) 50ºC d) 10ºC e) 20ºC 6. En un litro de agua que esta a 25ºC se echan cuatro cubitos de hielo de 50g cada uno, que están a -6ºC ¿Qué temperatura de equilibrio se obtiene?. a) 10ºC b) 9ºC c) 8ºC d) 7ºC e) 6ºC 7. Determine la masa de hielo a 0ºC que se debe de agregar a un recipiente en donde 100g de agua y 100g de vapor en equilibrio térmico con la finalidad de conseguir un temperatura de equilibrio de 70ºC. a) 200g d) 800g

b) 400g e) 300g

c) 600g

8. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se mezclan 10kg de hielo a -40ºC con 2kg de vapor de agua a 120ºC.

a) 0ºC ; 5kg (hielo) ; 11kg (agua) b) 0ºC ; 16kg (agua) c) 80ºC ; 16kg (agua) d) 100ºC ; 8kg (agua) ; 8kg (vapor) e) 100ºC ; 12kg (agua) ; 4kg (vapor) 12. Un cubo de hielo de 50g de masa y cuya temperatura es de 10ºC, se coloca en un estanque de agua, el cual se encuentra a 0ºC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla y que cantidad de agua se solidifica? a) 2ºC ; 6,25g c) 0ºC ; 2,65g e) -2ºC ; 6,25g

b) 0ºC ; 3,125g d) -2ºC ; 2,65g

13. En un recipiente de capacidad calorífica 20cal/ºC se tiene 106g de agua a 50ºC. ¿Qué masa de hielo a -30ºC se debe introducir al sistema a fin de que el 60% de su masa se fusione? a) 100g d) 400g

b) 200g e) 500g

c) 300g

14. Un bloque de plata de 200g (Ce=0,06cal/gºC) se encuentra a 19ºC. ¿Qué cantidad de calor se le debe suministrar para derretirlo por completo, si su temperatura de fusión es 961ºC (LfAg=21cal/g) a) 15504cal d) 14320cal

b) 12306cal e) 10654cal

c) 16940cal

15. Un proyectil de 1,6kg se acerca a una gran pared de hielo a 0ºC con una velocidad de 10 10 m/s, al chocar queda incrustada en ella, si el 60% de la energía del proyectil se utiliza para deformar el bloque de hielo determine cuanto de hielo se funde. (1cal=4,2J) a) 2,5g d) 1,0g

b) 5,0g e) 6,0g

c) 7,5g

16. Un bloque de hielo a 0ºC se lanza sobre una superficie rugosa. Determine que masa tiene el bloque de hielo, cuando se detiene si el 50% de la energía cinética se disipa al medio en forma de calor (m=2kg) v=100m/s m

a) 1960g d) 1990g

b) 1970g e) 1890g

c) 1985g

T(ºC) 80

17. Se tiene una cuña de hielo como se muestra en la figura, si sobre el hielo se hace descansar un bloque de acero de 10Kg de masa, hallar la cantidad de hielo que se derrite debido a la fricción, suponiendo que todo el calor generado se emplea en derretir el hielo. (μk=0,1; 1J=0,24cal; g=10m/s2)

45º

a) 0,3g d) 0,5g

a) 1cal/gºC d) 0,2cal/gºC

c) 0,6g

18. El diagrama muestra el calentamiento y fusión de cierto metal si Lf=49cal/g, halle el calor especifico en cal/gºC en la fase liquida. T(ºC)

60

0

40

180

Q(cal)

260

a) 0,05 b) 0,10 c) 0,15 d) 0,20 e) 0,25 19. Dado el grafico T-vs-Q, de una muestra liquida de 18g, se pide determinar su calor latente de vaporización en cal/g. T(ºC)

300

0

9

b) 400 e) N.A.

Q(kcal)

19,8

c) 500

20. El grafico que se muestra corresponde al comportamiento de la temperatura de cierta cantidad de agua cuando se le entrega calor. ¿Cuál es la composición final del sistema? Desprecie el calo que absorbe el recipiente. T(ºC)

0

2

650

Q(kcal)

65

Q(kcal)

-20

a) 50g de vapor, 100g de líquido b) 50g de vapor 200g de líquido. c) 150g de vapor, 50g de líquido d) 50g de vapor, 150g de líquido e) 100g de vapor, 100g de líquido 21. La figura muestra el comportamiento de la temperatura de cierta sustancia sólida de 50g cuando le suministramos calor. Si el calor latente de fusión es 10cal/g , determine su calor especifico en la fase sólida.

b) 0,5cal/gºC c) 0,1cal/gºC e) 0,32cal/gºC

22. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se tiene 1kg de hielo a -20ºC ¿Qué mínima cantidad de un liquido a 80ºC debe ingresar al sistema para que finalmente quede 225g de hielo? El liquido tiene un calor especifico que varia con la temperatura (T) según Ce=10+2T(cal/gºC) a) 100g d) 30g

200

a) 300 d) 600

0 -10

10m

hielo a 0ºC

b) 1,0g e) 2,0g

20

b) 80g e) 10g

c) 50g

23. En una cazuela se echa agua fría a 10ºC y se pone a calentar en un hornillo. Pasado 10minutos el agua comienza a hervir, a partir de ese instante, ¿Dentro de cuanto tiempo el agua se vaporizara por completo? a) 50min d) 40min

b) 60min e) 55min

c) 70min