Calor y temperatura

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Tabla de contenidos

1 Calor
2 Calor Específico
- 2.1 Calor Específico Molar
- 2.2 Capacidad Calórica
3 Cambios de Fase
- 3.1 Estado Plasma
- 3.2 Calor Latente
4 Propagación del calor
5 Véase también

[editar] Calor

Artículo principal: Calor

Se puede entender por calor, denotado por Q, a la energía transmitida por , o desde éste, como resultado de una diferencia entre la temperatura del sistema y la de sus alrededores. Esta transferencia de energía siempre se produce desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Como el calor es una forma de energía, la unidad de calor en el Sistema Internacional de Unidades es el Joule denotado por J. Pero existe otra unidad más práctica para medir el calor, y es la caloría y que corresponde a la cantidad de calor que se debe entregar a 1 gramo de agua para que su temperatura aumente de 14.5[°C] a 15.5[°C]. Su equivalencia con la unidad Joule es:

1[ cal ] = 4,187[ J ]

[editar] Calor Específico

Artículo principal: Calor específico

En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:

$c = {Q \over m\Delta\;t}$

Las unidades de calor específico son:

[c] = ${J \over kg K}$

[c] = ${cal \over g C}$

De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:

$c_{H_2O}$ = 1,000 $\left [ \frac{cal}{gC} \right ]$

[editar] Calor Específico Molar

El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por c_m, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado Celsius, es decir, está definida por:

$c_m = {Q \over n\Delta\;t}$

donde n indica el la cantidad de moles en la sustancia presente.

[editar] Capacidad Calórica

La capacidad calórica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por C y se define como:

C = ${Q \over \Delta\;t}$ $\left [ \frac{J}{K} \right ]$

Dado que:

$c = {Q \over m\Delta\;t}$ $\Longrightarrow \;$ $mc = {Q \over \Delta\;t}$

$\Longrightarrow \;$ $C = m c$

De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:

C n = n c

donde n indica el número de moles presente en la sustancia.

[editar] Cambios de Fase

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia : sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de Fase. Los posibles cambios de fase son:

de estado sólido a líquido, llamado fusión,
de estado líquido a sólido, llamado solidificación,
de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
de estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
de estado sólido a gaseoso, llamado vaporización, y
de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación.

[editar] Estado Plasma

Artículo principal: Plasma (estado de la materia)

Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma. En la Tierra existe muy poco plasma, sin embargo más del 99% del universo está formado por plasma, como las estrellas y gran parte del espacio entre los planetas. En el estado plasma, las partículas tienen carga. Los átomos han perdido uno o más de sus electrones como uno de los resultados de los choques energéticos. Un átomo que ha perdido electrones tiene una carga neta positiva y es un ion positivo. Los electrones son partículas negativas. Un gas que contenga más del 5% de iones se llama plasma.

[editar] Calor Latente

Artículo principal: Calor latente

Es obvio que un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas a cualquier temperatura, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias diferentes. Pero lo que es menos evidente es que dos fases o estados de agregación, distintas de una misma sustancia, puedan estar en equilibrio térmico entre sí en circunstancias apropiadas.

Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una temperatura llamada punto de fusión simbolizado a veces como t_f. A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poder fundir cierta cantidad del material sólido, pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. A esta cantidad de energía se le llama calor de fusión, calor latente de fusión o entalpía de fusión, y varía según las diferentes sustancias. Se denota por L_f. El calor de fusión representa la energía necesaria para deshacer la fase sólida que está estrechamente unida y convertirla en líquido. Para convertir líquido en sólido se necesita la misma cantidad de energía, por ellos el calor de fusión representa la energía necesaria para cambiar del estado sólido a líquido, y también para pasar del estado líquido a sólido. El calor de fusión se mide en:

[

L f

] = $\left [ \frac{cal}{g} \right ]$

De manera similar, un líquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en equilibrio térmico a una temperatura llamada punto de ebullición simbolizado por t_e. El calor necesario para evaporar una sustancia en estado líquido ( o condensar una sustancia en estado de vapor ) se llama calor de ebullición o calor latente de ebullición o entalpía de ebullición, y se mide en las mismas unidades que el calor latente de fusión. Se denota por L_e.

En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de fusión y ebullición y entalpías de algunas sustancias:

sustancias	t_f [°C]	L_f [cal/g]	t_e [°C]	L_e [cal/g]
H₂0	0,00	79,71	100,00	539,60
O₂	-219,00	3,30	-182,90	50,90
Hg	-39,00	2,82	357,00	65,00
Cu	1083,00	42,00	2566,90

[editar] Propagación del calor

El calor puede ser transmitido de distintas formas: por conducción, por convección o por radiación.

La conducción es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico.

La convección sólo se produce en fluidos, ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio.

La radiación térmica es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de le energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa.

Observaciones:

La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos.
La convección siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento.
En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica porqué algunos cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor. La conductividad térmica de un cuerpo está dado por:

$\frac{Q}{\Delta\;t} = \frac{kA\Delta\;T}{L}$