Calorimetría y equilibrio térmico
Introducción
¡Vas muy bien! Introduzcámonos a nuestra décima clase digital, en la clase anterior entendimos que la energía calorífica (calor) es la energía que se transfiere de un cuerpo caliente a otro más frío como resultado de la diferencia de temperaturas entre ambos cuerpos. De esto se desprende la idea de que, si dos objetos están a la misma temperatura, no se intercambia energía calorífica entre ellos cuando entran en contacto.
Por su parte, el equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales presentaban diferentes temperaturas en sus condiciones iniciales. Es decir, el calor siempre se transfiere del cuerpo caliente al cuerpo frío, nunca en sentido contrario, tal como lo indica la primera ley de la termodinámica.
En la presente clase estudiaremos las diversas situaciones que influyen en el comportamiento térmico de los átomos y las moléculas, así como los demás aspectos de la física que se encargan de medir esos cambios de calor que están presentes en nuestra vida diaria, es decir, nos dedicaremos al estudio de la rama de la física conocida como calorimetría.
Desarrollo del tema
| Calorimetría | Capacidad Calorífica (C) |
|---|---|
| La Calorimetría se puede definir como la medición del calor de una sustancia. | Relaciona la cantidad de calor (Q) que recibe un cuerpo respecto al incremento de temperatura (ΔT). |
Las unidades de la capacidad calorífica son: cal/oC.
Calor Específico (ce o c): Relaciona la Capacidad Calorífica de una sustancia y su masa (m). El Calor Específico también se puede definir como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia en un grado Celsius.
Las unidades del calor específico son: cal/(goC).
- Calor sensible
Es el calor que se agrega a una sustancia (o se sustrae de ella) para que exista una variación en su temperatura, sin que en el proceso se presente un cambio de estado de agregación.
- Calor Latente
Es el calor necesario para que exista en la sustancia un cambio de estado de agregación manteniendo la temperatura constante. Existen dos calores latentes que se utilizarán en este curso, el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización.
- Calor Latente de Fusión
Es la cantidad de calor que requiere una sustancia para cambiar 1 g de sólido a 1 g de líquido sin variar su temperatura.
Q=mHE
- Calor Latente de Vaporización
Es la cantidad de calor que requiere una sustancia para cambiar 1 g de líquido en ebullición a 1 g de vapor manteniendo la temperatura constante.
Las unidades de la constante de fusión y vaporización son cal/g.
Cuando a una sustancia se agrega calor el calor tiene signo positivo (Q+), y cuando el calor se sustrae de la sustancia el calor tiene signo negativo (Q-).
Una Q negativa significa que la sustancia se solidifica (en el caso del calor latente de fusión) o se condensa (en el caso del calor latente de vaporización). En el caso del calor específico, una Q negativa significa que la sustancia pierde calor.
Un resumen de los conceptos anteriores se muestra en la figura, donde se aprecia qué calor interviene, de acuerdo con el cambio de fase de una sustancia.
A continuación, observa el siguiente video:
Equilibrio Térmico
El principio del equilibrio térmico nos dice que siempre que los objetos se coloquen juntos en un ambiente aislado, finalmente alcanzarán la misma temperatura. Esto es el resultado de una transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los cuerpos más fríos.
Si la energía debe conservarse, decimos que:
“El calor perdido por los cuerpos calientes debe ser igual al calor ganado por los cuerpos fríos”.
Es decir:
Calor Ganado + Calor Perdido = 0
Esta ecuación expresa el resultado neto de la transferencia de calor dentro de un sistema. El calor perdido o ganado por un objeto no se relaciona de manera sencilla con las energías moleculares de los objetos. Siempre que se suministra energía térmica a un objeto, éste puede absorber la energía de muy diversas maneras.
Conclusión
En un sentido amplio, la calorimetría se desarrolló históricamente como una técnica destinada a fabricar aparatos y procedimientos que permitieran medir la cantidad de calor desprendida o absorbida en una reacción mecánica, eléctrica, química o de otra índole. Con el paso del tiempo, esta disciplina, encuadrada dentro de la termodinámica, se ha especializado sobre todo en la determinación del calor específico de los cuerpos y los sistemas físicos.
La medición del calor en las sustancias ha permitido explicar los fenómenos de transferencia de calor y dilatación por calor de los objetos.