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Tecnicatura Universitaria en Higiene y Seguridad Materia: “Física General”

Unidad Didáctica 3

Energía calórica

Índice de la Unidad Didáctica Materia: “Física General”

Unidad Didáctica 3 Introducción de la Unidad Didáctica 3

2

Objetivos de la Unidad Didáctica 3

4

Organizador de Contenidos

5

Contenidos “Calor y Temperatura”

6

Actividad 1

8

Autoevaluación 1

9

“Termometría” Actividad 2 “Calorimetría”

9 10 10

Actividad 3

14

Autoevaluación 2

14

“Calor y Trabajo Mecánico”

15

Actividad 4

15

Autoevaluación 3

16

“Efectos del calor sobre la materia”

16

Actividad 5

25

Actividad 6

26

Actividad 7

26

Actividad 8

27

Autoevaluación 4

27

Actividad 9

33

“Propagación del calor”

34

Actividad 10

34

Actividad 11

35

Autoevaluación 5

35

Resumen

36

Actividades (Respuestas)

37

Autoevaluación (Respuestas)

47

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Energía calórica

Introducción de la Unidad Didáctica 3 En esta área de la física es muy frecuente confundir términos, principalmente los de calor y temperatura que en realidad son muy diferentes. El calor que poseen los cuerpos es transferido o recibido por otros intentando, como meta final lograr lo que se denomina equilibrio térmico. Además podemos agregar que las formas en que el calor pasa de un cuerpo a otro o al medio que lo rodea, son variadas y generalmente interactúa más de una a la vez. No nos olvidemos que, como producto de este aumento o pérdida de calor los cuerpos sufren cambios físicos: dilatación o contracción, viscosidad, densidad, peso específico, etc. Estos cambios alteran las estructuras de las que forman parte y, si no se tiene en cuenta, es posible que éstas se rompan produciendo daños o accidentes que podrían haberse evitado.

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Objetivos de la Unidad Didáctica 3 Conozca e identifique la diferencia entre calor y temperatura. Comprenda el efecto de la dilatación de los cuerpos, la propagación del calor y el efecto el calor produce sobre la materia. Interprete la relación entre calor, energía y el trabajo.

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Organizador de Contenidos

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Energía calórica

Contenidos CALOR Y TEMPERATURA Es muy fácil confundir estos términos pero sus conceptos son muy diferentes. Veamos los siguientes ejemplos: Ejemplo 1: Tomemos dos cacerolas (Ver Fig 1). En una coloquemos un litro de agua y en la otra cacerola, medio litro de agua. La temperatura existente en ambas cacerolas debe ser la misma. Coloquemos los recipientes en dos hornallas iguales encendidas y las dejamos al fuego durante tres minutos al cabo de los cuales apagamos el fuego y volvemos a tomar la temperatura del agua. Comprobaremos que el recipiente que tiene medio litro de agua tiene mayor temperatura que el recipiente que contiene un litro de agua a pesar que la cantidad de calor entregado es el mismo.

Ejemplo 2: Tomemos un fósforo, una cacerola con agua a temperatura ambiente y dos cubo de hielo de la heladera (ver Fig 2). Encendemos el fósforo y lo colocamos bajo un cubo de hielo y al otro cubo de hielo lo colocamos dentro de la cacerola. La llama de un fósforo encendido tiene mayor temperatura que un recipiente con agua a temperatura ambiente; sin embargo, la llama de un solo fósforo no fundirá un cubo de hielo mientras que si lo colocamos en el recipiente con agua sí se fundirá.

Ejemplo 3: Tomemos dos esferas de hierro, una de 5 g y la otra de 100 g y la calentamos en vapor de agua hirviendo (100 °C) el suficiente tiempo como para que ambas esferas tomen esa temperatura. Posteriormente coloquemos las esferas de hierro por separado en recipientes que contengan la misma cantidad de hielo (ver Fig 3). Comprobaremos que la esfera de 100 g derretirá más hielo que la esfera de 5 g.

Con estos tres ejemplos tratamos de interpretar que un cuerpo puede estar más caliente que el otro pero no por eso entregar mayor cantidad de calor y que la temperatura y la cantidad de calor, si bien están relacionadas son cosas diferentes.

ESTADOS TÉRMICOS

La piel nos permite saber, a través del tacto, si un objeto está relativamente más caliente que otro. Pero esto es muy subjetivo ya que si pongo mi mano derecha en la heladera y mi Página 6 de 50

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Energía calórica mano izquierda en agua tibia y posteriormente coloco ambas manos en un recipiente con agua natural es muy probable que la mano que estuvo en la heladera sienta el agua muy caliente mientras la que estuvo en el agua tibia la sienta más fría (ver Fig 4 a y b). Para evitar esta subjetividad, lo ideal es recurrir a un instrumento de medición que nos indique la temperatura de cada objeto.

Conclusión: Un cuerpo tiene un estado térmico mayor, igual o menos que otro si está más, igual o menos caliente que el otro.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Para entender este concepto tengamos en cuenta lo siguiente: tomemos agua caliente con una temperatura t1 y en otro recipiente tengamos agua fría con una temperatura t2. Indiscutiblemente t1 es mayor que t2 (t1>t2). Si agregamos agua fría al agua caliente encontraremos que la temperatura del agua caliente (t1) disminuirá mientras que la temperatura del agua fría (t2) aumentará y la temperatura final que se obtenga estará entre las temperaturas t1 y t2. En este punto, se dice que lograron el equilibrio térmico Si tomamos la esfera de hierro de 100 g calentada y la colocamos en hielo molido, éste se irá derritiendo a medida que se va calentando mientras que, al mismo tiempo, la esfera de hierro se va enfriando. Si la dejamos un largo tiempo en contacto veremos que tanto el agua derretida como la esfera de hierro alcanzan la misma temperatura logrando el equilibrio térmico (ver Fig 5). Se debe tener en cuenta que las propiedades físicas de las sustancias dependen de sus estados térmicos. Esto quiere decir que si cambiamos sus estados térmicos estas constantes físicas como su volumen, peso específico, viscosidad, etc, cambiarán al cambiar sus estados térmicos.

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Energía calórica Actividad 1: (Tiempo aproximado 3 horas) Una vez leído el tema anterior, realice la siguiente actividad. Tengamos presente el esquema 1 Recipiente con agua a temperatura ambiente

Esquema 1

Recipiente con agua a 40 °C máximo

Materiales que necesitaremos: 2 termómetros que indiquen temperaturas hasta 42°C. 2 recipientes del mismo material y que uno pueda introducirse dentro del otro. Agua caliente y agua fría. Elementos de escritura Procedimiento: a. En un recipiente colocamos un litro de agua y le introducimos uno de los termómetros y lo calentamos muy lentamente hasta alcanzar una temperatura de 40°C. Debemos tener paciencia para que la temperatura no sobrepase el límite del termómetro para no romperlo. b. Mientras el agua del primer recipiente se está calentando, en el otro recipiente colocamos agua a temperatura ambiente e introducimos el otro termómetro. c. Cuando el agua del primer recipiente alcanzó la temperatura fijada, lo introducimos en el segundo recipiente como muestra el esquema 1 y en ese instante tomamos la primera lectura de los termómetros. d. A partir de ese instante, tomaremos la temperatura que indican los termómetros en cada minuto durante los próximos 20 minutos. Requerimiento: 1) Prepare una tabla con los datos obtenidos. 2) Represente los datos en una gráfica (en el eje horizontal represente el tiempo y eje vertical las dos temperaturas en diferentes colores) 3) A qué conclusiones puedes llegar con los datos de la gráfica. 4) A qué temperatura se alcanza el equilibrio térmico. 5) Repita la actividad pero esta vez coloque solo medio litro de agua en el

segundo recipiente

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Autoevaluación 1(Calor y Temperatura) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta TILDE

FRASE La sustancia de menor temperatura puede entregar calor a la de mayor temperatura. Si dos sustancias tienen igual estado térmico no se produce entre ellas intercambio de calor. Dos sustancias de diferentes estado térmicos pueden encontrar el equilibrio térmico con una temperatura superior al de las dos sustancias involucradas. Dos sustancias de distintos estados térmicos puestas en contacto igualan sus estados térmicos El cambio de estado térmico de una sustancia no modifica sus propiedades físicas La sustancia más caliente cede calor a la más fría Dos sustancias con igual estado térmico puestas en contacto, no modifican sus constantes físicas. Dos sustancias con diferentes estados térmicos puestas en contacto modifican sus constantes físicas. Entre dos sustancias con igual estado térmico puestas en contacto entre sí se produce intercambio de calor y por ende existen modificaciones en sus propiedades físicas.

TERMOMETRIA TERMÓMETROS Y ESCALAS

Por lo que hemos visto hasta el momento podemos afirmar que se pueden comparar los estados térmicos de una sustancia determinada o de varias sustancias entre sí, pero no podemos sumar ni restar estos estados térmicos. Sin embargo, sí podemos establecer un ordenamiento de estos estados térmicos, ya sea en una escala ascendente o descendente. Una manera práctica de establecer el estado térmico de las sustancias es a través de la variación de una de sus constantes o propiedades físicas al estar en contacto con la otra. Por ejemplo, sabemos que el volumen de una sustancia aumenta al estar en contacto con el calor. Esto quiere decir que podemos comparar el estado térmico de dos sustancias mediante la variación volumétrica de una tercera sustancia puesta en contacto con las otras dos (ver Fig 6). En esta figura se puede apreciar que al colocar el recipiente en contacto con la sustancia 1; el líquido que estaba en su interior se dilató aumentando su volumen. Al colocar el recipiente con el líquido en contacto con la sustancia 2, su volumen se incrementó más que con la sustancia 1. Así podemos asumir que la sustancia 2 tiene un estado térmico mayor que la sustancia 1.

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Energía calórica De este concepto surgen los termómetros y las escalas termométricas cuya construcción se basó en el siguiente procedimiento. Se tomó un recipiente con mercurio en su interior y se lo colocó en los vapores de agua hirviendo (ver Fig 7). El mercurio aumentó su volumen hasta alcanzar una altura máxima en donde se estabilizó. En este punto se marcó los 100 °C. Posteriormente se lo colocó en un recipiente que contenía hielo que se estaba fundiendo (ver Fig 8). El mercurio comenzó a contraerse (disminuir su volumen) hasta estabilizarse a los 0 °C. Luego se dividió en 100 partes iguales. A cada división se la enumera con un orden creciente de 0 a 100 denominado grado centígrado de la escala de mercurio.

Importante: Sabemos que dos cuerpos que se encuentran en diferentes estados térmicos y están en contacto entre sí llegan con el tiempo al equilibrio térmico. Esto quiere decir que uno cederá calor y el otro lo recibirá. De la misma manera el cuerpo humano se encuentra permanentemente en contacto con el medio que lo rodea. Pero nuestro cuerpo necesita encontrarse siempre a 36,7 °C para que funcione correctamente. Si el medio que lo rodea está más frío, entonces nuestro cuerpo entregará calor al medio, y para mantenerse en su temperatura deberá generar calor permanentemente. Por el contrario, si el medio que lo rodea se encuentra a una temperatura mayor que la suya, el cuerpo recibirá calor y para mantenerse en su equilibrio interno tratará de enfriarse por medio de la transpiración. La ropa, la ventilación y la alimentación adecuada son fundamentales para mantener nuestro cuerpo en equilibrio térmico interno.

Actividad 2: A continuación desarrollaremos la siguiente actividad para aumentar nuestros conocimientos respecto de los termómetros y sus escalas. (Tiempo aproximado 60 minutos) a. Enuncie las diferentes escalas termométricas b. Identifique los valores de máxima y de mínima en cada una de ellas. c. Enuncie 4 sustancias que se utilizan en la fabricación de termómetros y describa sus características particulares. d. Describa el funcionamiento de un termómetro de máxima y uno de mínima.

CALORIMETRÍA

Ya podemos diferenciar los términos de calor y temperatura y sabemos que el calor que reciben o dan los cuerpos produce dilataciones y contracciones en los mismos y que este calor recibido o entregado modifica sus propiedades físicas; pero, ¿Cómo sabemos la cantidad de calor que entrega o recibe un cuerpo?

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CANTIDAD DE CALOR

Si colocamos dos cuerpos de igual material, masa y a la misma temperatura en recipientes que contienen hielo a 0 °C (ver Fig 9), veremos que en el mismo tiempo funden la misma cantidad de hielo. Esto quiere decir que ambas masas cedieron la misma cantidad de calor.

Mismo material, masa y temperatura derriten misma cantidad de hielo

Ahora bien, si repetimos la experiencia anterior colocando los Fig 9 dos cuerpos del mismo material, masa y temperatura juntos en un recipiente con hielo a 0 °C Juntas derriten (ver Fig 10), observaremos que la cantidad de hielo fundido el doble de es el doble que el anterior. Quiere decir que la cantidad de cantidad de calor cedida por los dos cuerpos juntos, es el doble que la hielo cantidad de calor cedida por cada cuerpo en el caso anterior.

Fig 10

Conclusión: La cantidad de calor cedida con las esferas juntas es el doble de la cantidad de calor cedidas por cada una de las masas en forma individuales.

Entonces podemos determinar la cantidad de calor cedido en base a la cantidad de hielo derretido. Conclusión: La cantidad de calor recibida o cedida es una magnitud.

Es importante entender que podemos medir la cantidad de calor que un cuerpo cede o recibe. Esta cantidad de calor tiene el símbolo Q (cantidad de calor) cuya unidad de medida es la caloría (cal) o la kilo caloría (Cal o Kcal). La caloría Para poder medir esa cantidad de calor, es necesario establecer una unidad de medida llamada pequeña caloría (cal). Definición: Es la cantidad de calor (Q) necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua pura de 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de 1 atmósfera. Es decir que se eleva la temperatura de 1 g de agua en un grado centígrado. La Kcal o Cal Es la cantidad de calor (Q) necesaria para elevar la temperatura de 1 Kg de agua pura de 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de 1 atmósfera. Es decir que se eleva la temperatura de 1 Kg de agua en un grado centígrado. Agua y otras dos sustancias a 14,5 °C

Calor específico de una sustancia Supongamos que colocamos 1 g de agua y 1 g de otras dos sustancias diferentes (ver Fig 11); las tres a 14,5 °C y les entregamos calor hasta que el agua alcance 15,5 °C. Podemos afirmar que se les entregó 1 caloría. Pero al medir la

Fig 11 Página 11 de 50

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Energía calórica temperatura alcanzada por las otras dos sustancias veremos que pueden tener una temperatura mayor, igual o menor que la temperatura del agua (ver Fig 12).

15,5 °C las otras dos sustancias tienen diferentes temperaturas

Esto se debe a que la capacidad de recibir o ceder calor no es la misma para todas las sustancias.

Resumiendo; si entregamos la misma cantidad de calor a dos Fig 12 sustancias diferentes de igual masa que se encuentran a la misma temperatura, veremos que sus variaciones de temperatura son diferentes debido a la capacidad propia de la sustancia de absorber o ceder calor. Esta capacidad propia de cada sustancia de absorber o ceder calor es lo que denominaremos calor específico (c); y se define como “la cantidad de calor que se le debe entregar a dicha sustancia para que 1 g de ella eleve su temperatura en 1 °C”. Su unidad de medida es:

c=

cal g * °C

Entonces, la cantidad de calor Q cedida o absorbida por un cuerpo o sustancia, estará directamente relacionada con el calor específico c de dicho cuerpo o sustancia.

La masa de una sustancia m1

Si hacemos que tres cilindros de igual sustancia, igual forma pero de diferente masa tengan la misma temperatura y la colocamos en una superficie de parafina durante el mismo período de tiempo, comprobaremos que el cuerpo de mayor cantidad de masa derritió mayor cantidad de parafina. Esto indica que la cantidad de calor Q absorbida o cedida por un cuerpo será proporcional a la cantidad de masa m que posea (ver Fig 13 y 14).

m2

m3

parafina recipiente

Fig 13 m1

m2

m3

m3 derrite más parafina que m1 o m2

Entonces se puede decir que la cantidad de calor entregada o cedida ( Q ) por una sustancia es directamente proporcional a su masa ( m )

Fig 14

La temperatura de una sustancia Si colocamos dos cilindros de la misma sustancia, masa, tamaño y forma en distintos recipientes y los calentamos a diferentes temperaturas y posteriormente los colocamos sobre un cubo de hielo; al cabo de un tiempo determinado observaremos que el cuerpo que estaba más caliente habrá fundido mayor cantidad de hielo (ver Fig 15).

A

B

A tiene mayor temperatur a que B

Cubo de hielo

Fig 15

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Energía calórica Entonces se puede decir que la cantidad de calor entregada o cedida ( Q ) por una sustancia es directamente proporcional a su temperatura (∆t). Recordar que ∆t es igual a la temperatura final, menos la inicial (tf – ti).

Ecuación fundamental de la calorimetría Entonces se puede decir que la cantidad de calor entregada o cedida ( Q ) por una sustancia está directamente relacionada y es proporcional a su masa ( m ), a su variación de su temperatura ( ∆t ) y a su capacidad particular de absorber o ceder calor que es el calor específico ( c ).

Q = c * m * ∆t

denominada Ecuación de la Calorimetría

Fórmula 1

Ejemplo de Ejercicio resuelto: ¿Qué cantidad de calor es necesario suministrar a un trozo de cobre (c=0,093 cal/g°C) de 50 Kg para que su temperatura aumente 140 °C? Datos: Masa m = 50 kg equivalente a 50.000 g Variación de la temperatura ∆t = 140 °C Calor específico del cobre c = 0,093 cal/g °C Cantidad de calor Q=? Solución: Partimos de la fórmula (11)

Q = c * m * ∆t , y reemplazamos por los datos teniendo en cuenta de colocar las mismas unidades en cada término de la ecuación.

Q = 0, 093cal / g °C *50000 g *140°C , observemos que si se simplifican los gramos y los grados centígrados solo nos quedan las calorías. Resolvemos y obtenemos el resultado final

Q = 651000cal equivalente a

Q = 651Kcal

NOTA: Se debe tener en cuenta que en este caso; la temperatura final del cobre es mayor que la temperatura inicial por lo que es una cantidad de calor ganada por el cobre. Si el cobre se enfriase, su temperatura final será menor que la inicial y el resultado daría negativo lo que representa una cantidad de calor cedido por el cobre

Conclusión final: Los cuerpos que se encuentran en contacto entre sí y con el medio que los rodea, tienden a buscar el equilibrio térmico por medio de entregar y recibir determinada cantidad de calor en función de su masa, variación de temperatura y su capacidad particular de recibir o ceder calor (calor específico de las sustancias). El cuerpo humano tenderá a ceder calor si todos los elementos que lo rodean se encuentran a una temperatura inferior a la de él; y tenderá a recibir calor si los elementos que lo rodean se encuentran a una temperatura superior a la de él.

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Energía calórica La ropa, la calefacción y la ventilación, son aspectos importantes a la hora de mantener nuestro equilibrio térmico interno.

Actividad 3: A continuación desarrollaremos la siguiente actividad para aumentar nuestros conocimientos respecto de la calorimetría y el calor específico de algunas sustancias. (Tiempo aproximado 120 minutos) a. Deberán buscar los calores específicos de las siguientes sustancias: Aluminio, cobre, hierro, plomo, vidrio, cinc, agua, agua salada, amoníaco, mercurio, alcohol, éter, plata. b. Cada elemento posee una masa de 1000 g, se encuentra a una temperatura inicial de 15 °C y se le entregan una cantidad de calor de 1000 cal. c. Aplicando la fórmula de cantidad de calor y despejando convenientemente se pide colocar en una tabla, gráfica o cualquier otro tipo de representación; la temperatura final de cada una de las sustancias. d. A continuación se deberán escribir las conclusiones en no más de 10 renglones.

Autoevaluación 2(Calorimetría) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta FRASE

TILDE

La cantidad de calor cedida o absorbida es una magnitud. Para que una substancia entregue calor a otra su calor específico debe ser mayor. El aumento de presión de un recipiente si se mantiene el volumen constante estará dado solo si el proceso se realiza isotérmicamente. El cambio de estado térmico de una sustancia no modifica sus propiedades físicas La dilatación volumétrica es una característica única de los líquidos y de los gases. En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Dos sustancias con diferentes estados térmicos puestas en contacto modifican sus constantes físicas. La cantidad de calor cedido por una sustancia es la misma que la recibida por la otra sustancia 1. Defina caloría 2. Defina calor específico. 3. Se poseen 3 sustancias de igual masa tal que sus estados térmicos son tales que la t de A > B > C. Si se los coloca en un mismo recipiente y se logra un equilibrio térmico la t resultante será: a. Mayor que A. b. Menor que C c. Igual a B. d. Todas las anteriores. e. Ninguna de las anteriores. Página 14 de 50

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Energía calórica CALOR Y TRABAJO MECÁNICO Si frotamos dos palos durante un determinado tiempo es posible que logremos una combustión. Si doblamos varias veces un alambre este se calentará. Si vamos circulando con nuestro vehículo y frenamos muy seguido, los frenos se calentarán al igual que los neumáticos se calientan por el rodamiento y la fricción con el suelo. Esto se debe a que estamos transformando un tipo de energía (trabajo mecánico) en otro tipo de energía (calor). Conclusión: "El trabajo mecánico genera calor".

La pregunta que nos hacemos ahora es la siguiente, ¿el calor puede producir trabajo? Sabemos que el calor es una forma de energía. Lo que debemos averiguar es si esta forma de de energía se puede transformar en trabajo mecánico que es otro tipo de energía. James Prescott Joule, físico inglés, desarrollo una experimento denominado “Experiencia de Joule” en donde establece la relación que existe entre cantidad de calor y trabajo mecánico.

CALOR Y ENERGÍA EXPERIENCIA DE JOULE EQUIVALENCIA ENTRE TRABAJO Y CANTIDAD DE CALOR

Actividad 4: A continuación desarrollaremos la siguiente actividad para aumentar nuestros conocimientos respecto del calor y el trabajo mecánico. (tiempo aproximado 120 minutos) a. Explique brevemente la experiencia que Joule llevó a cabo y posteriormente describir las conclusiones a la que llegaron. b. Describa la relación existente entre trabajo mecánico y calor y transcribir la equivalencia entre los mismos. c. Por último, deberán buscar tres ejemplos que demuestren la relación entre cantidad de calor y trabajo mecánico. Estos ejemplos podrán ser numéricos (ejercicios). d. Una vez finalizada la actividad intercambiaremos los resultados entre los equipos para realizar las correcciones correspondientes y finalmente participaremos de un foro para fijar los conceptos relacionados con el tema. La resolución del Ejercicio 1 le será solicitada a través Hoja de Requerimiento y deberá ser enviado en el momento en que le sea solicitado por medio de la Plataforma Educativa Digital (PED).

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Energía calórica

Autoevaluación 3(Calor y trabajo mecánico) 1. ¿Puede el trabajo transformarse en calor? De ejemplos. 2. ¿Puede el calor generar trabajo? De ejemplos. 3. ¿El calor es una forma de energía? 4. Sabemos que la unidad de medida del trabajo mecánico es el Joule y la unidad de la cantidad de calor es la caloría. ¿Cuál es la equivalencia entre el calor y el trabajo?

EFECTOS DEL CALOR SOBRE LA MATERIA Varios son los efectos que el calor genera sobre los cuerpos. Entre ellos podemos mencionar la dilatación y contracción, la variación de su peso específico, la variación de su viscosidad y los cambios de estado, entre otros. DILATACIÓN DE LOS CUERPOS

Podemos observar en los rieles del ferrocarril que entre un riel y el otro existe una pequeña separación al igual que en una ruta confeccionada con bloques de cemento que, entre uno y otro existe un espacio rellenado con alquitrán. Algunos puentes descansan sobre rodillos ubicados sobre los pilares. Estos espacios se dejan por un motivo concreto y es que en verano, cuando estos elementos reciben mayor cantidad de calor y su temperatura aumenta, también aumenta sus tamaños (ver Fig 16). Cuando un cuerpo se calienta, sus dimensiones aumentan; es decir, se dilata al recibir calor y todo cuerpo se contrae al perder calor. Por supuesto, al aumentar de tamaño (dilatarse), aumenta todo el objeto al mismo tiempo. Es decir que una caja de aluminio, aumentaría tanto el largo como el alto como el ancho. Pero debemos tener especialmente en cuenta que este aumento de tamaño, solo dependerá de la temperatura y de las características del material. Es decir que a igual incremento de temperatura habrá materiales que sufren una mayor dilatación que otros.

DILATACIÓN DE SÓLIDOS

La dilatación de sólidos, líquidos y gases siempre es volumétrica, es decir que aumenta su tamaño en las tres dimensiones. Pero en el caso particular de los sólidos se individualiza la dilatación tope lineal, la superficial y la cúbica o volumétrica. L Dilatación Lineal ∆L Llamamos dilatación lineal cuando el largo del material varía considerablemente respecto del ancho o el alto que es el caso de los alambres o varillas.

Fig 17

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Energía calórica

Si sometemos una varilla metálica al calor podremos observar que su longitud aumenta y que este aumento de longitud es proporcional al aumento de temperatura (ver Fig 17). Veamos la tabla 1:

Temperatura/largo inicial - variación Largo inicial ∆l (Variación de long)

0 °C

50 °C

100 °C

150 °C

50 cm 0

50,0425 cm 0,425 mm

50,0850 cm 0,850 mm

50,1375 cm 1,375 mm

Podemos ver que cada vez que aumentamos la temperatura en 50 °C la longitud de la varilla aumenta 0,425 mm. Conclusión: Las variaciones de longitud son directamente proporcionales a las variaciones de temperatura (ver Fig 18).

En la figura 18 podemos ver que si partimos de una longitud inicial (Li) y de una temperatura inicial (ti) y aumentamos su temperatura (∆t), su longitud inicial se incrementará un ∆L y si aumentamos nuevamente su temperatura a la mitad de la anterior, su longitud también aumentará la mitad de la anterior.

L ∆L/2 ∆L Li

t ti

∆t ∆t/2 Fig 18

Pero esta proporcionalidad va a ser diferente según el material que estemos calentando. Es decir que si calentamos hierro en 50 °C su aumento de longitud será diferente que si calentamos cobre. Ese "comportamiento del material" es constante para cada sustancia, y se lo conoce como "coeficiente de dilatación lineal", representado con la letra griega alfa ( α ), siendo su unidad de medida (1/°C) (uno sobre grado centígrado).

En la tabla 2 mostramos el coeficiente de dilatación lineal de algunas sustancias. Resumiendo: la longitud final está directamente relacionada con la longitud inicial, la variación de temperatura y el coeficiente de dilatación del material, expresado de la siguiente manera:

Lf = Li *(1 + ∆t * α )

Fórmula 2

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Energía calórica

Ejemplo de Ejercicio resuelto 1: Calcular la longitud final de una barra de 10 m de hierro que se halla a 20 °C si se calienta a 120 °C (dato α =0,000012 1/°C) Datos: Longitud inicial Lo = 10 m Temperatura final tf = 120 °C Temperatura inicial ti = 20 °C Diferencia de temperatura ∆t = 100 °C Coeficiente de dilatación lineal del hierro

α =0,000012 1/°C

Solución:

Lf = Li (1 + ∆t * α ) Lf = 10 m (1+100 °C * 0,000012 1/°C) Lf =10,012 m

Dilatación superficial y cúbica Debemos tener en cuenta que llamamos dilatación superficial cuando una de las dimensiones es despreciable respecto de las otras dos como muestra la figura 19. Aquí podemos apreciar que la variación respecto del alto es despreciable comparado con las variaciones del largo y del ancho. Para este caso, el coeficiente de dilatación superficial lo representamos con la letra griega beta ( β ) tal que el

coeficiente de dilatación superficial es el doble que el lineal ( β

= 2* α ).

La superficie final está directamente relacionada con la superficie inicial, la variación de temperatura y el coeficiente de dilatación del material, expresado de la siguiente manera:

Sf = Si (1 + ∆t * 2α )

Fórmula 3

En la dilatación volumétrica, ninguna de las dimensiones es despreciable respecto de las otras, tal como muestra la figura 20. Para este caso, al coeficiente de dilatación cúbico lo representamos con la letra griega gama ( γ ) tal que el coeficiente de dilatación cúbico es el triple que el lineal ( γ

= 3* α ).

El volumen final está directamente relacionado con el volumen inicial, la variación de temperatura y el coeficiente de dilatación del material, expresado de la siguiente manera:

Vf = Vi (1 + ∆t *3α )

Fórmula 4

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Energía calórica DILATACIÓN DE LÍQUIDOS

Los líquidos no poseen forma propia sino que toman la forma del recipiente que los contiene. Es por esto que la dilatación de un líquido es siempre volumétrica y cada líquido posee un coeficiente de dilatación característica o propia que se muestra en la tabla 3. Pero cuando calentamos un líquido, no solo se dilata el líquido aumentando su volumen, sino que también se dilata el recipiente que lo contiene. Es decir que los líquidos se dilatan más de lo que aparentemente se observa. Es por eso que cuando hablamos de dilatación de líquidos debemos hablar de una dilatación aparente y otra que es la dilatación real. La dilatación aparente del líquido es la dilatación que se observa, mientras que la dilatación real es aquella dilatación que sufre si solo se dilatase el líquido sin que se dilate el recipiente que lo contiene Tomemos el siguiente ejemplo: en un frasco de vidrio que contiene exactamente 1000 cm3 (1 litro) a 0 °C, colocamos mercurio a la misma temperatura hasta el borde y ponemos a calentar el conjunto (contenido y recipiente), hasta los 100 °C. A esa temperatura se derraman 15 cm3 de mercurio como muestra la figura 21. Lo que se pudo observar es que se derramaron 15 cm3 de mercurio; por lo que la dilatación aparente son esos 15 cm3. Pero si pudiésemos colocar el mercurio en un recipiente que no se dilate y calcular su dilatación absoluta entonces lo haríamos a través de la fórmula 4 recordando que 3* α = γ :

Vf = Vi (1 + ∆t * γ )

Reemplazando

Y operando convenientemente

Vf = 1000cm3 (1 + 100cm3 *1,8*10 −41/ °C )

Vf = 18cm3

que es el volumen real dilatado

Por lo tanto el recipiente se dilató 3 cm3

Dilatación aparente Es la dilatación que se observa del líquido cuando lo calentamos (son los 15 cm3 derramados). Dilatación real Es la suma de la dilatación aparente más la dilatación del recipiente (son los 18 cm3).

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Energía calórica El agua El agua es un líquido que no cumple con el comportamiento del resto de los líquidos. Al quitarle temperatura el agua se contrae y su máxima contracción es a los 4 °C. A partir de allí comienza a dilatarse nuevamente aunque continuemos extrayendo temperatura. Este comportamiento lo podemos observar en la figura 22. Esto significa, que cuando el agua llega a su punto de congelamiento (0°C) su volumen es mayor que a los 4 °C. Es por eso que cuando colocamos una botella llena en el congelador, esta se rompe por la dilatación del hielo.

Si colocamos gas dentro de un globo y luego lo calentamos veremos que el globo se expande lo que nos dice que el gas en su interior se está dilatando. Pero si repetimos la operación y en vez de calentarlo lo que hacemos es disminuí la presión que lo rodea también veremos que el gas se expande.

Sucede que la presión externa actúa sobre las paredes del globo logrando un equilibrio entre las fuerzas internas y las externas.

DILATACIÓN DE GASES

Si colocamos gas dentro de un globo y luego lo calentamos veremos que el globo se expande lo que nos dice que el gas en su interior se está dilatando. Pero si repetimos la operación y en vez de calentarlo lo que hacemos es disminuí la presión externa que lo rodea también veremos que el gas se expande como muestra la figura 23 a y b. Sucede que la presión externa actúa sobre las paredes del globo logrando un equilibrio entre las fuerzas internas y las externas.

Conclusión: Los gases pueden dilatarse en las siguientes circunstancias: a) Ante el aumento de temperatura sin variar la presión. b) Ante la disminución de la presión exterior sin variar la temperatura. c) Ante el aumento de la temperatura y diminución de la presión exterior.

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Energía calórica Ley de Charles – Gay Lussac A través de las conclusiones enumeradas anteriormente es que se llega a la primera y segunda ley de Charles – Gay Lussac que son las siguientes:

Primara Ley de Charles – Gay Lussac A presión constante, los volúmenes de una misma masa gaseosa son directamente proporcionales a las temperaturas a las que se someta

Esto significa que si la presión se mantiene constante; cuando se le agrega calor aumentando la temperatura de una masa gaseosa, aumenta su volumen y, cuando le quitamos calor disminuyendo su temperatura, disminuye su volumen.

Vi Vf = Ti Tf

Fórmula 5

Vf = Vi *

Tf Ti

Fórmula 6

Segunda Ley de Charles – Gay Lussac A volumen constante, las presiones que ejerce una misma masa gaseosa son directamente proporcionales a las temperaturas a las que se someta

Esto significa que si el volumen se mantiene constante; cuando se le agrega calor aumentando la temperatura de una masa gaseosa, aumenta su presión y, cuando le quitamos calor disminuyendo su temperatura, disminuye su presión

Pi Ti = Pf Tf

Fórmula 7

Pf = Pi *

Tf Ti

Fórmula 8

Ecuación de los gases Teniendo en cuenta la primera y segunda ley de Charles – Gay Lussac es que se llega a la ecuación de los gases que la representamos como la fórmula 9

Vi * Pi Vf * Pf = Ti Tf

Fórmula 9

Analicemos la expresión: Si la transformación es isobárica (a presión constante) quiere decir que la presión inicial y la final son las mismas por lo tanto se pueden simplificar. Y si la transformación era isotérmica (a temperatura constante) quiere decir que la temperatura inicial y final son las mismas por lo tantos, éstas se pueden simplificar. Página 21 de 50

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Energía calórica Grados Kelvin Generalmente en estas ecuaciones utilizaremos grados Kelvin en vez de Celsius por una simple razón; no podemos dividir ni multiplicar por cero ya que la ecuación nos daría error. Si queremos el resultado en Celsius haremos la transformación al inicio de la ecuación y al finalizar haremos la transformación de grados nuevamente si es que es necesario. Recordemos que para trasformar grados Celsius (°C) a grados Kelvin (°K), solo debemos sumar 273. Ejemplo: 20 °C es igual a 293 °K 0 °C es igual a 273 °K Ejemplo de Ejercicio resuelto 2: En un recipiente hay 190 l de oxígeno a 77 °C y 750 mm de presión. Hallar su volumen en condiciones normales de presión y temperatura (0 °C y 1 atm equivalente a 760 mm) Datos: Volumen inicial Vi = 190 l de oxígeno Presión inicial Pi = 750 mm Temperatura inicial Ti = 77 °C 350 °K Presión final Pf = 760 mm Temperatura final Tf = 0 °C 273 °K Volumen final = (incógnita) Solución: Partamos de la fórmula 9

Vi * Pi Vf * Pf = Ti Tf Si despejamos el Vf la fórmula queda de la siguiente manera

Vf =

Tf *Vi * Pi Pf * Ti

Reemplazando por los datos obtenemos que

Vf =

273° K *190l * 750mm 760mm *350° K

Y resolviendo

Vf = 146,25 l

Analicemos un segundo el resultado. Podemos observar que el volumen final es menor que el volumen inicial lo que es lógico ya que la temperatura disminuyó lo que hace que el gas se contraiga y además la presión aumentó lo que hace que el gas se contraiga aún más.

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Energía calórica VARIACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO

Anteriormente mencionamos que la variación de la temperatura en las sustancias hace que varíen sus propiedades físicas y una de ellas es el peso específico. El peso específico de una sustancia lo representaremos con la letra griega ro ( ρ ). Este peso específico es el cociente entre el peso del cuerpo y su volumen (

ρ = P /V

) y las unidades son gramos sobre

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centímetro cúbico (g/cm ).

ρ = P /V

Fórmula 10

Esto quiere decir que si aumentamos el volumen por cualquier método, su peso específico disminuye y viceversa, si disminuye su volumen, su peso específico aumenta. Veamos el siguiente ejemplo: Partimos de la base que

ρ = P /V

(este volumen es el volumen inicial), y que si se aumenta

la temperatura habrá un aumento de volumen tal que el nuevo volumen es:

Vf = Vi (1 + ∆t *3α ) Por lo tanto el

ρf

Fórmula 4

(peso específico final) es igual a

ρ f = P / Vf

y si reemplazamos por la

fórmula (10) obtendremos que:

ρf =

P Vi (1 + ∆t *3α )

P = ρi Vi

ρf =

pero el peso dividido el volumen inicial es el peso específico inicial

y reemplazando en la fórmula obtendremos la expresión final

ρi (1 + ∆t *3α )

(9)

Este es el motivo por el cual el hielo, que es agua congelada, flota sobre el agua. Recordemos que el agua aumenta su volumen al disminuir su temperatura por debajo de los 4 °C, lo que implica que al congelarse su volumen es aún mayor y su peso específico es menor. El hielo flota en el agua porque, al aumentar su volumen, su peso específico es menor que el del agua

Por qué es importante todo esto. Muchos de los trabajos que se desarrollan poseen materiales que se dilatan y se contraen con la temperatura y si no se tiene en cuenta este aspecto físico puede producirse daño o rotura en estructuras que pueden perjudicar la salud del trabajador. Si buscamos disminuir los riesgos en el trabajo debemos entender estos principios para prevenir accidentes.

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Energía calórica Un reloj de péndulo de material de cobre cuya variación térmica es de 20 °C puede llegar a retrasar hasta 14 segundos debido a la dilatación lineal y por ende al alargamiento del brazo del péndulo.

Ejemplo de Ejercicio resuelto 3: A 0 °C el peso específico del cobre es 8,92 gr/cm3. ¿Cuál será su peso específico a 200 °C? Datos: Peso específico del cobre

ρ i = 8,92 gr/cm3

Temperatura inicial ti = 0 °C Temperatura final tf = 200 °C Diferencia de temperatura ∆t = 200 °C Coeficiente de dilatación lineal del cobre

α = 0,000017 1/°C

Solución: Partimos de la fórmula (9)

ρf = ρf = ρf

ρi (1 + ∆t *3α )

y reemplazando tenemos que

8, 92 gr / cm3 (1 + 200°C *3* 0, 0000171/ °C )

y resolviendo obtenemos que

= 8,829 gr/cm3

Si analizamos el resultado podremos observar que al aumentar el volumen por el aumento de la temperatura, el peso específico disminuyó levemente.

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Energía calórica Actividad 5: En esta actividad le proponemos resolver los siguientes ejercicios sobre el tema Dilatación de los cuerpos. (Tiempo aproximado 180 minutos) Una vez finalizada la actividad observe si todos los ejercicios han sido resueltos correctamente, de lo contrario le sugerimos que vuelva a leer el tema. Tiempo estimado: 2 horas. Ejercicio 1: A que temperatura debe llevarse una barra de hierro de 10 m de largo y se encuentra a una temperatura de 20 °C para que experimente un alargamiento de 10 cm? (dato α =0,000012 1/°C) Ejercicio 2: ¿Cuánto medirá, a 40 °C, un alambre de cobre ( α =0,000017 1/°C) que a 0 °C mide 3000m? Ejercicio 3: Un tubo tiene una longitud de 998 mm a 18 °C. Se hace pasar por él vapor de agua a 98,5 °C y se alarga en 1,34 mm. ¿Cuánto vale el coeficiente de dilatación de ese material? Ejercicio 4: El volumen de un trozo de mármol ( α =0,000008771 1/°C) es, a 5 °C, de 3,8 m3. ¿Cuál será su volumen a 35 °C? Ejercicio 5: El peso específico del mármol a 5 °C es de 2,6 g/cm3. ¿Cuánto vale a 35 °C? Ejercicio 6: Una masa de cloro ocupa un volumen de 600 cm3 a 0 °C. ¿Qué volumen ocupará si se calienta isobáricamente hasta 106 °C? Ejercicio 7: Una masa de nitrógeno, a 20 °C y a 2 atmósferas de presión ocupa un volumen de 800 cm3. ¿Qué variación de volumen se producirá al calentar isobáricamente hasta 156,6 °C? ¿Qué variación de presión se producirá si el gas se calentara hasta esa misma temperatura a volumen constante? Ejercicio 8: Una masa de hidrógeno ocupa un volumen de 500 cm3 en condiciones normales de presión y temperatura (0 °C y 1 atmósfera). ¿Qué variación de volumen se producirá si se lo comprime isotérmicamente hasta una presión de 4,5 atm? Ejercicio 9: Un recipiente de cinc de 50 cm3 ( α =0,000063 1/°C) está lleno de mercurio ( α =0,000182 1/°C) a la temperatura de 20 °C ¿Cuánto mercurio se derramará si la temperatura asciende hasta 80 °C? Ejercicio 10: Un gas ocupa 6 dm3 a 0 °C y 4 atm. ¿Cuál será su presión a 546 °K, si ocupa un volumen de 8 dm3? La resolución del Ejercicio 1 le será solicitada a través Hoja de Requerimiento y deberá ser enviado en el momento en que le sea solicitado por medio de la Plataforma Educativa Digital (PED).

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Energía calórica

Actividad 6: A continuación desarrollaremos la siguiente actividad para aumentar nuestros conocimientos respecto de la dilatación de los cuerpos. (tiempo aproximado 60 minutos) Elementos necesarios: Un pedazo de papel de envoltura interna de una caja de cigarrillos. Un fósforo. Elementos de escritura a. Obtenga un pedazo de papel de una caja de cigarrillos (consta de dos partes; una de papel común y otra de una lámina fina de aluminio) y estírela bien. b. Debajo de ella coloque un fósforo encendido de manera tal que no queme el papel pero que sí reciba el calor de la llama. Observe lo que ocurre entre la lámina de papel y la de aluminio c. Retire la llama y vea atentamente que ocurre cuando el conjunto se enfría. d. ¿Cuál de los dos materiales tiene mayor coeficiente de dilatación? e. ¿Por qué? Describa las experiencias obtenidas.

Actividad 7: A continuación desarrollaremos la siguiente sobre la dilatación de los cuerpos. (Tiempo aproximado 120 minutos) Elementos necesarios: Un frasco de medicamentos vacío de unos 50 cm3 aproximadamente, un tapón, un tubo de plástico fino, un recipiente con agua caliente, un recipiente con agua fría y elementos para tomar nota. a. Tome un frasco de vidrio de unos 50 cm3 (puede ser de medicamentos). Llénelo con agua coloreada hasta el borde. b. Coloque un tapón que se ajuste perfectamente con un orificio en el centro donde introducirá en él un tubo fino de plástico (puede ser un sorbete o un repuesto de lapicera y usando pegamento tape todos los orificios que pudiesen haber quedado. c. Cerrando el frasco con el tapón de manera tal que quede bien ajustado, se podrá observar que el agua coloreada subirá por el tubo de plástico hasta un determinado nivel (ver esquema 2). d. Coloque el frasco en un recipiente que contenga agua caliente y observe cuidadosamente que ocurre con el nivel del agua. e. Ahora coloque el frasco en un recipiente que contenga agua con hielo y observe lo que sucede con el nivel alcanzado. f.

Escriba explicando las observaciones encontradas. Página 26 de 50

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Energía calórica ACTIVIDAD 8: Para ampliar este tema le recomendamos que visite los siguientes

sitios web. Allí también encontrará la posibilidad de desarrollar ejercicios resueltos. Le recomendamos que estos ejercicios los resuelva después de resolver los que se encuentran en la actividad 5. (Tiempo aproximado 180 minutos) http://www.fisicanet.com.ar/fisica/f2_termostatica.php

Autoevaluación 4(Dilatación de los cuerpos) Marque con un tilde las frases que usted considere correctas FRASE

TILDE

La dilatación cúbica es una característica única de los líquidos y de los gases. La dilatación volumétrica es una característica única de los líquidos y de los gases. El coeficiente de dilatación es característico de cada elemento. La dilatación de todos los elementos depende del coeficiente de dilatación y de la variación de temperatura La variación de la longitud de un elemento sólido (alambre) será mayor mientras su temperatura aumente. El agua se comporta como el resto de los elementos El punto de contracción máxima del agua se produce a los 4 °C. En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Las constantes físicas de los elementos no cambian con la variación de la temperatura 1. Defina coeficiente de dilatación lineal. 2. Escriba la ecuación que nos permite calcular la dilatación lineal de un sólido y explique el significado de cada uno de sus símbolos. 3. Proceda de la misma manera que en el punto dos con la ecuación superficial y volumétrica. 4. Si conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido ¿Cómo se procede para hallar el coeficiente de dilatación superficial y cúbica del mismo? 5. Explique y justifique lo que sucede con el peso específico de un material al calentarse. 6. ¿En la dilatación de los líquidos existe una dilatación aparente y otra real? ¿Por qué? 7. ¿A qué temperatura el agua presenta su mayor peso específico? ¿Por qué? 8. Si se aprecia un aumento en el volumen de un gas en un proceso isotérmico eso implica que: a. b. c. d. e.

La presión debe aumentar. Si hay un aumento de volumen no puede ser un proceso isotérmico. Es un proceso isobárico. La presión debe disminuir. Ninguna respuesta es la correcta.

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Energía calórica VARIACIÓN DE LA VISCOCIDAD

La viscosidad es la resistencia que ofrece un líquido a fluir o deslizarse. Es la oposición o resistencia a las fuerzas tangenciales que se aplican al líquido y se revelan cuando éste está en movimiento. El agua tiene una viscosidad baja, mientras que la miel o la glicerina tienen una alta viscosidad. La viscosidad de los líquidos disminuye rápidamente al aumentar su temperatura. La viscosidad se utiliza mucho en los aceites de motores ya que se busca que el aceite fluya correctamente cuando está frío y también que conserve una viscosidad suficiente que proteja los componentes del motor a temperaturas elevadas. En la figura 24 observamos 4 sustancias cuyas viscosidad son diferentes. Se aprecia que en un mismo tiempo, la sustancia de mayor viscosidad es la que llenó menos el recipiente.

CAMBIOS DE ESTADO

Las sustancias pueden presentarse en la naturaleza en sus tres estados característicos que son el sólido, el líquido o el gaseoso. Hay elementos que los podemos encontrar en sus tres estados al mismo tiempo como el agua ya que se la puede encontrar en forma de hielo o nieve, como líquido en un río o como vapor en la humedad ambiente. Por medio de agregar o quitar calor a las sustancias es que pueden pasar de un estado al otro como muestra la figura 25. Recordemos que una sustancia pura es un sistema homogéneo. El agua, el alcohol, el hierro son sustancias puras, mientras que el agua salada es una sustancia compuesta; podemos decir que es una mezcla.

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Energía calórica FUSIÓN

Es el pasaje del estado sólido al líquido por acción del calor (ver Fig 25). Experimentalmente se demostró que cada sustancia tiene una temperatura propia en donde se produce el cambio de estado y se la denomina temperatura de fusión. Así la temperatura de fusión del agua es de 0°C mientras que la del aluminio es de 658 °C y la del hierro es de 1528 °C. Pero, mientras se produce el cambio de estado de la sustancia, no aumenta su temperatura hasta que toda la sustancia haya pasado de un estado al otro. Si colocamos hielo a 0°C en un recipiente con un termómetro y le entregamos calor (ver Fig 26), podremos observar que el hielo se va derritiendo pero que el agua derretida no aumenta su temperatura. La temperatura subirá solo cuando todo el hielo haya fundido. Mientas dure la fusión de una sustancia pura, la temperatura permanecerá constante.

Esta fusión se da con normalidad mientras que la presión permanezca a 1 atmósfera (760 mm de mercurio Hg). Si la presión varía, la temperatura de fusión de la sustancia también varía. Para las sustancias que al calentarse aumentan su volumen, al aumentar la presión su punto de fusión también aumenta (hierro, azufre, cobre, zinc). Para las sustancias que al calentarse disminuyen su volumen como el hielo y el agua hasta los 4 °C, al aumentar la presión su punto de fusión disminuye. Para dar un ejemplo, a una atmosfera de presión el hielo funde a 0 °C pero si aumentamos la presión al doble, 2 atmósferas, la temperatura de fusión del hielo será a los -20 °C. Calor de fusión Es la cantidad de calor que debemos entregar a un gramo de una sustancia para que pase del estado sólido al líquido, es decir que se funda; su símbolo es la f minúscula y las unidades es cal/g.

[f ]=

cal g

El calor de fusión (f), es la cantidad de calor (cal) que se entrega a una sustancia para que funda un gramo de ella.

Para que funda un gramo de hielo que se encuentra en su temperatura de fusión, 0 °C, se necesitan 80 cal para que se convierta en un gramo de agua a la misma temperatura (ver Fig 27) La tabla 4 nos muestra algunas sustancias con sus temperaturas de fusión y su calor de fusión. Página 29 de 50

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Energía calórica

Leyes de la fusión 1. A presión constante cada sustancia pura funde a una temperatura, que le es propia, denominada punto de fusión. 2. Mientras dura la fusión de una sustancia pura (a presión constante) la temperatura permanecerá constante. 3. La temperatura de fusión de una sustancia depende de la presión exterior. 4. Cada sustancia pura tiene un calor de fusión que le es propio y característico.

Ejemplo de Ejercicio resuelto 4: Supongamos que se quieren fundir 100 g de cinc que se hallan a 399 °C ¿Qué cantidad de calor es necesario suministrar? Calor específico del cinc 0,0955 cal/g°C Primero debemos entregar calor para elevar la temperatura de cinc desde los 399 °C hasta su temperatura de fusión que son los 419 °C.

Q = c * m * ∆t

Utilizamos la fórmula 1 y reemplazamos los términos

Q1=0,0955 cal/g°C * 100g * (419°C-399°C) Q1 =191 cal Ahora calculamos la cantidad de calor para fundir el cinc Q2 = f * m

y reemplazamos

Q2 = 23 cal/g * 100g Q2 = 2300 cal Luego sumamos la cantidad de calor entregado. Qt = Q1 + Q2;

Qt = 191 cal + 2300 cal

Qt = 2491 cal

SOLIDIFICACIÓN

Es el proceso inverso al de la fusión. Para que una sustancia pase del estado líquido al estado sólido se le debe quitar calor. La cantidad de calor que se quita a dicha sustancia es la misma cantidad que se le entregó para pasar del estado sólido al líquido. Para que solidifique un gramo de agua a 0°C y se forme un gramo hielo a 0°C se le deben extraer 80 cal.

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Energía calórica Mientras se produce el pasaje de líquido a sólido, la temperatura permanecerá constante durante todo el proceso. Leyes de la fusión 1. La solidificación se presenta en cada sustancia pura a una temperatura específica para cada sustancia que es la misma que su temperatura de fusión. 2. Mientras dura la solidificación de una sustancia pura la temperatura permanece constante. 3. La temperatura de solidificación de una sustancia depende de la presión externa. 4. La cantidad de calor necesario para fundir un gramo de una sustancia que ya se encuentra a la temperatura de fusión (calor de fusión) es igual a la cantidad de calor que la misma masa de sustancia cede al solidificar cuando ya se halla a la temperatura de solidificación (calor de solidificación). 5. La variación de volumen que experimenta una sustancia al fundir se produce en sentido inverso al solidificar

VAPORIZACIÓN

Es el pasaje del estado líquido al gaseoso pero podemos diferenciar entre evaporación y ebullición. Evaporación Es cuando el pasaje del estado líquido al gaseoso se realiza en la superficie del líquido. Hemos visto que cuando hace calor y dejamos cosas mojadas o que contienen agua, con el tiempo se van secando. Esto es porque las moléculas de agua toman energía de la temperatura ambiente y les permite pasar de su estado líquido al solido. La velocidad de evaporación aumenta cuando aumenta la superficie de evaporación. Hay líquidos que poseen una velocidad de evaporación mayor que otros. Por ejemplo, el alcohol tiene una velocidad de evaporación mayor que el del agua. Es por eso que cuando nos frotamos alcohol en las manos sentimos frío en ellas (ver Fig 28 a). Ebullición Es cuando el pasaje del estado líquido al gaseoso de una sustancia se desarrolla en todo el líquido. Es por eso que vemos las burbujas. Estas burbujas se forman porque la molécula de la sustancia está pasando de un estado al otro en el ceno del líquido (ver Fig 28 b). La temperatura de ebullición del agua es a los 100 °C y se mantendrá en esa temperatura constante hasta que toda el agua se haya evaporado. Como vimos en la fusión, cada sustancia tiene una temperatura de ebullición que le es propia, denominada punto de ebullición. De la misma manera, cada sustancia tienen su calor de vaporización (cv) que es la cantidad de calor que se le debe entregar a un gramo de una Página 31 de 50

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Energía calórica sustancia líquida que se encuentra en su temperatura de ebullición para que se transforme en un gramo de de la misma sustancia en estado gaseoso. Por ejemplo. Para pasar un gramo de agua que se encuentra a 100°C a un gramo de agua en estado gaseoso a la misma temperatura se necesitan entregar 540 cal. La tabla 5 nos muestra algunas sustancias, sus puntos de ebullición o temperatura de ebullición y su calor de vaporización.

Ejemplo de Ejercicio resuelto 5: Se tienen 100 g de hielo a -30 °C y se quiere obtener agua en estado de vapor a 120 °C. ¿Qué cantidad de calor se necesitan? Primero tenemos que elevar la temperatura del hielo hasta su punto de fusión (0°C) |

Q = c * m * ∆t

Y reemplazamos

1cal *100 g *30°C g + °C

Q1 =

Q1 = 300cal

entonces

Segundo calculamos la cantidad de calor necesario para fundir el hielo

Q = f *m

Q 2 = 80

Y reemplazamos

cal *100 g g

entonces

Q 2 = 800cal

Tercero calculamos la cantidad de calor para subir la temperatura del agua a 100 °C

Q = c * m * ∆t

Y reemplazamos

Q3 =

1cal *100 g *100°C g + °C

entonces

Q 3 = 10000cal

Cuarto calculamos la cantidad de calor para transformar el agua en vapor

Q = cv * m

Q 4 = 540

Y reemplazando

cal *100 g g

entonces

Q 4 = 54000cal

Quinto calculamos la cantidad de calor para elevar la temperatura del gas de 100 a 120 °C

Q = c * m * ∆t

Y reemplazamos

Q5 =

1cal *100 g * 20°C g + °C

entonces

Q 5 = 200cal

Por último sumamos todas las cantidades de calor entregadas.

Qt = Q1 + Q 2 + Q3 + Q 4 + Q5

Finalmente la cantidad de calor necesaria es de

Qt = 65300cal

CONDENSACIÓN

Es el pasaje de estado del vapor al estado líquido. Es indudable que para poder realizarlo es necesario sustraer calor al vapor. El vapor cede calor para condensarse. Quiere decir que para pasar un gramo de agua que se encuentra en estado de vapor a 100 °C, al estado de líquido a 100 °C, se le deben extraer 540 cal.

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Energía calórica Mientras se produce la condensación de todo el vapor, la temperatura permanecerá constante.

VOLATILIZACIÓN Y SUBLIMACIÓN

La volatilización es el pasaje del estado sólido de una sustancia al gaseoso sin pasar por el líquido mientras que la sublimación es lo inverso; es el pasaje del estado de vapor de una sustancia al estado sólido sin pasar por el estado líquido. En las empresas químicas se utiliza estos cambios de estados para obtener o purificar sustancias. Las sustancias que volatilizan son el hielo seco, el yodo, la naftalina, etc. Cuando compramos bolitas de naftalina para colocar en la ropa podemos observar que al cabo de un tiempo el diámetro de las bolitas a disminuido y esto se debe a que la naftalina se ha volatilizado. Actividad 9: En esta actividad le proponemos resolver los siguientes ejercicios sobre el tema Dilatación de los cuerpos. (Tiempo aproximado 120 minutos) Una vez finalizada la actividad observe si todos los ejercicios han sido resueltos correctamente, de lo contrario le sugerimos que vuelva a leer el tema. Tiempo estimado: 2 horas. Ejercicio 1: ¿Cuántas calorías son necesarias para fundir 100 g de hielo que se hallan a 0°C (f=80cal/g) Ejercicio 2: ¿Cuántas calorías absorben 100 g de cobre, 100 de hierro y 100 de plomo para fundir, si todos se hallan en sus temperaturas de fusión? Si no encuentra el calor de fusión del elemento en las tablas deberá buscarlo en internet. Ejercicio 3: Se quiere fundir 100 g de cinc que se encuentran a 399 °C ¿Cuántas calorías serán necesarias? Ejercicio 4: En un calorímetro hay 260 g de agua a 35 °C. Se echan en el agua 55 g de hielo a 0°C y cuando todo el hielo a fundido la temperatura del sistema es de 15 °C. ¿Cuál es el calor de fusión del hielo? Ejercicio 5: En un recipiente hay 10 litros de agua a 30 °C. Se requiere bajar la temperatura del agua a 15 °C echando 2000 g de hielo. ¿Alcanzará el hielo? Ejercicio 6: Qué cantidad de calor será necesario para transformar 200 g de hielo a -4 °C en 200 g de vapor de agua a 100 °C?

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Energía calórica PROPAGACIÓN DEL CALOR Por lo que hemos estudiado hasta el momento podemos afirmar que el calor pasa de un cuerpo al otro o de éste al medio que lo rodea. Este traslado de calor es lo que denominamos propagación del calor o transmisión del calor. Las formas en que se propaga el calor son las siguientes:

PROPAGACIÓN POR CONDUCCIÓN PROPAGACIÓN POR CONVECCIÓN PROPAGACIÓN POR RADIACIÓN

En este momento, le recomiendo que haga clic en el Icono de Video / Animación, para poder ver el documental que aquí presentamos.

Calo

Actividad 10: Desarrollaremos esta actividad para que juntos lleguemos a comprender la propagación del calor. (Tiempo aproximado 120 minutos) a)

Describa brevemente las distintas formas de propagación del calor y explique o defina cada una de ellas.

b)

Describa la causa por la cual un material se clienta más rápidamente que otro.

c)

Determine si el calor se puede transmitir por sólidos líquidos o gases y explique brevemente.

d)

¿Cuál de estas formas de propagación son las que se utilizan para calentar un ambiente?

e)

¿Qué relación guarda este tema con la ventilación?

f)

¿Qué es un cuerpo negro ideal?

Una vez finalizada la actividad intercambiaremos los resultados entre los equipos para realizar las correcciones correspondientes y finalmente participaremos de un foro para fijar los conceptos relacionados con el tema. La resolución del Ejercicio 1 le será solicitada a través Hoja de Requerimiento y deberá ser enviado en el momento en que le sea solicitado por medio de la Plataforma Educativa Digital (PED).

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Energía calórica Actividad 11: Desarrollaremos esta actividad para que juntos lleguemos a comprender la propagación del calor. (Tiempo aproximado 120 minutos) Elementos necesarios: Una hoja de papel, una tijera, un pedazo de hilo y una vela. a) Tome la hoja de papel y dibuje un espiral como muestra el esquema 3. b) Corte el papel con las tijeras por la línea dibujada. c) Ate el centro del espiral y suspéndalo a 10 cm aproximadamente de una vela apagada de tal manera que ella quede en el centro del espiral pero por debajo del mismo. d) Encienda la vela y observe lo que sucede. e) Explique brevemente.

Autoevaluación 5(Propagación del calor) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta FRASE La única forma propagación del calor en un cuerpo sólido es por conducción.

TILDE

El quemar calorías por el metabolismo del cuerpo hace que éste eleve su temperatura. La diferencia fundamental entre la trasferencia de calor por convección y por radiación es que una se realiza en el vacío y la otra no. Al colocar una estufa sobre el piso de una habitación el aire calienta al disminuir su densidad sube y es reemplazado por el frío que fue reemplazado de la parte superior de la habitación. Un ambiente isotérmico facilitará el intercambio de calor por conducción. En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Al aumentar la temperatura de un líquido aumenta su densidad. ¿A qué se denomina cuerpo negro ideal? Circunde la/ respuesta/ que considere correctas El sol calienta la tierra por: a. Dilatación de los vientos espaciales b. Iluminación c. Radiación

d. Conducción e. Convección f. Ninguno de los anteriores

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Energía calórica

Resumen No debemos confundir calor y temperatura que en realidad son muy diferentes. El calor que poseen los cuerpos es transferido o recibido por otros intentando lograr el equilibrio térmico. Las diferentes formas de transmitir el calor de un cuerpo al otro es fundamental a la hora de conseguir una buena y eficiente calefacción o refrigeración. El calor actúa sobre la materia alterándola de diferentes maneras; puede dilatarla al entregarle calor o contraerla al quitarle calor. Además, como producto de este aumento o pérdida de calor, sufren otros cambios en sus características físicas como la, viscosidad, densidad, peso específico, etc. Cabe destacar que afectan el estado en el que se encuentran en la naturaleza ya que por acción del calor lo que está sólido puede transformarse en líquido y posteriormente en gas y se logra la acción inversa al sustraerle calor. Estos cambios alteran las estructuras de las que forman parte y, si no se tiene en cuenta, es posible que éstas se rompan produciendo daños o accidentes que podrían haberse evitado.

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Energía calórica

Actividades (Respuestas) Respuesta a la actividad 1:

a.

De su tabla debería surgir que el agua que se encuentra más caliente tiende a enfriarse (cede calor), mientras que la que se encontraba a temperatura ambiente tiende a calentarse (gana calor).

b. Después de un determinado tiempo los dos termómetros marcan la misma temperatura y esto se debe a que encontraron el equilibrio térmico. c.

La temperatura del equilibrio térmico debe encontrarse entra las dos temperaturas anteriores.

d. Cuando colocamos solo medio litro de agua en el recipiente a 40 °C y lo sumergimos en el recipiente que contiene un litro a temperatura ambiente podemos decir que: 1) El tiempo en que se llega a la temperatura de equilibrio es menor. 2) La temperatura final de equilibrio es menor que en el primer caso.

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Energía calórica Respuesta a la Actividad 2:

ESCALAS TERMOMÉTRICAS Celsius Reaumur Fahrenheit Kelvin

MÍNIMOS Y MÁXIMOS 0 °C – 100 °C (100 ° G) 0 °R – 80 °R (80 °R) 32 °F – 212 °F (180 °F) 0 °K – 273 °K (273 °K)

Sustancias: 1. Mercurio: Tiene las siguientes características: No moja y no deja residuos al descender. Es visible aun en tubos capilares. Es buen conductor del calor y se dilata en forma proporcional. Punto de ebullición elevado 357 °C Tiene el inconveniente que solidifica a -39 °C. 2. Alcohol: tiene las siguientes características: Se solidifica a los -117°C por lo que se utiliza para medir bajas temperaturas. No se puede aplicar para temperaturas elevadas ya que su temperatura de ebullición es de los 78,5 °C. Tiene el inconveniente de absorber agua. 3. Éter de petróleo: tiene las siguientes características: Se emplea para registrar temperaturas muy bajas ya que solidifica a -190 °C. 4. Toluol: tiene las siguientes características: Se emplea para registrar temperaturas entre los -70 °C y los 110 °C. Debe ser coloreado para poder ser visualizado mejor. Los termómetros de máxima y mínima se utilizan en forma horizontal. El de máxima (ver esquema 5) se emplea para medir la máxima temperatura registrada. Cuando la sustancia se dilata por el calor va empujando un testigo. Al llegar a su máxima dilatación el testigo queda en ese lugar mientra que la sustancia se contrae. Con el de mínima se produce lo mismo. La sustancia se va contrayendo mientras se le quita calor y va arrastrando a un testigo. Cuando llega a la mínima temperatura, el testigo queda en ese lugar mientras la sustancia comienza a dilatarse nuevamente. Para volverlos a cero so los debe colocar en forma vertical.

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Energía calórica Respuesta a la actividad 3: Calor específico de las sustancias

Elemento Mercurio Plomo Plata Cobre Cinc Agua Salada Hierro, Vidrio Aluminio

Éter Alcohol Agua Amoníaco

Calor Específico Cant de Calor Masa (g) Cal/g°C Q (cal) 0,033 1000 1000 0,035 1000 1000 0,056 1000 1000 0,093 1000 1000 0,093 1000 1000 0,095 1000 1000 0,11 1000 1000 0,2 1000 1000 0,226 1000 1000 0,54 1000 1000 0,6 1000 1000 1 1000 1000 1,07 1000 1000

Temp Inicial (°C) 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

Temp final (°C) 45,3030303 43,5714286 32,8571429 25,7526882 25,7526882 25,5263158 24,0909091 20 19,4247788 16,8518519 16,6666667 16 15,9345794

Conclusiones: a) Se visualiza que a medida que el calor específico de la sustancia aumenta, la temperatura final disminuye. b) Si la cantidad de calor se entregó en el mismo tiempo, existen sustancias que aumentan su temperatura más que otras. c) En el caso particular del agua, podemos apreciar que el aumento de temperatura para 1000 g, entregando 1000 cal es proporcional a si entregamos 1 cal a 1 g de agua. d) Otras conclusiones.

Respuesta a la actividad 4: a. Joule colocó dentro de un recipiente una cantidad de masa de agua a una temperatura inicial (ti) y agitadores que estaban conectados a poleas con pesas en sus extremos. Dejó caer las pesas una cantidad de veces determinadas calculando la cantidad de trabajo desarrollado y posteriormente tomó la temperatura del agua y comprobó que ésta era mayor que la inicial y por lo tanto determinó la relación entre el trabajo desarrollado y la cantidad de calor producido. b. Un trabajo mecánico de 1 Joule equivalen aproximadamente a 0,24 cal. c. Los frenos de un auto, las máquinas de vapor.

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Energía calórica Respuesta a la actividad 5:

Ejercicio 1: A que temperatura debe llevarse una barra de hierro de 10 m de largo y se encuentra a una temperatura de 20 °C para que experimente un alargamiento de 10 cm?. Respuesta: 853,33 °C Datos: Longitud inicial= 10 m Longitud final= 10,20 m Variación de longitud= 10 cm Temperatura inicial= 20 °C Temperatura final=? α =0,000012 1/°C Solución: Partimos de la fórmula de dilatación lineal

Lo = Li (1 + ∆t * α ) y despejamos ∆t

Lo −1 Li ∆t = y reemplazamos por los datos

α

10,1m −1 10m ∆t = , ahora resolvemos y obtenemos el siguiente resultado 0, 0000121/ °C ∆t = 833,33°C , pero ∆t = Tf − Ti ,por lo tanto Tf = ∆t + Ti quedando expresado que Tf = 833, 33°C + 20°C Tf = 853,33°C Ejercicio 2: ¿Cuánto medirá, a 40 °C, un alambre de cobre ( α =0,000017 1/°C) que a 0 °C mide 3000m? Respuesta: 3002,04 m Datos: Temperatura inicial= 0 °C Temperatura final= 40 °C Longitud inicial= 3000 m α =0,000017 1/°C Longitud final=? Solución: Partimos de la fórmula de dilatación lineal

Lo = Li (1 + ∆t * α ) y reemplacemos los valores.

Lo = 3000m(1 + 40°C * 0, 0000171/ °C ) y resolvemos Lo = 3002, 04m Página 40 de 50

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Energía calórica

Ejercicio 3: Un tubo tiene una longitud de 998 mm a 18 °C. Se hace pasar por él vapor de agua a 98,5 °C y se alarga en 1,34 mm. ¿Cuánto vale el coeficiente de dilatación de ese material? Respuesta: 0,0000167 1/°C Datos: Longitud inicial= 998mm Variación de longitud= 1,34 mm Temperatura inicial= 18 °C Temperatura final= 98,5 °C α =? Solución: De los datos podemos obtener la longitud final Lo = 998mm + 1,34mm = 999, 34mm y además la variación de temperatura

∆t = Tf − Ti

∆t = 98, 5°C − 18°C ; ∆t = 80, 5°C

Partimos de la fórmula

Lo = Li (1 + ∆t * α ) y despejamos la incógnita α

Lo −1 Li α= y reemplazamos por los valores de los datos ∆t

999,34mm −1 998 mm α= , obteniendo como resultado 80,5°C

α = 0,0000167 1/°C

Ejercicio 4: El volumen de un trozo de mármol ( α =0,000008771 1/°C) es, a 5 °C, de 3,8 m3. ¿Cuál será su volumen a 35 °C? Respuesta: 3,803 m3 Datos: Temperatura inicial= 5 °C Temperatura final= 35 °C Volumen inicial= 3,8 m3 α =0,00000877 1/°C Volumen final=? Solución: De los datos podemos obtener la variación de temperatura ∆t = Tf − Ti ∆t = 35°C − 5°C ; ∆t = 30°C

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Energía calórica Partimos de la fórmula

Vf = Vi (1 + ∆t *3α ) y reemplazamos por los valores de los datos

Vf = 3,8m3(1 + 30°C *3* 0, 0000087711/ °C ) obteniendo como resultado

Vf = 3,803 m3

Ejercicio 5: El peso específico del mármol a 5 °C es de 2,6 g/cm3. ¿Cuánto vale a 35 °C? Respuesta: 2,598 g/cm3 Datos: Temperatura inicial= 5 °C Temperatura final= 35 °C α =0,000008771 1/°C Peso específico inicial= 2,6 g/cm3 Peso específico final=? Solución: De los datos podemos obtener la variación de temperatura ∆t = Tf − Ti ∆t = 35°C − 5°C ; ∆t = 30°C Partimos de la fórmula

ρf =

ρf =

ρi (1 + ∆t *3α )

y reemplazamos por los valores de los datos

2, 6 g / cm3 obteniendo como resultado (1 + 30°C *3*0, 0000087711 / °C )

ρ f = 2,598 g/cm3 Ejercicio 6: Una masa de cloro gaseoso ocupa un volumen de 600 cm3 a 0 °C. ¿Qué volumen ocupará si se calienta isobáricamente hasta 106 °C? Respuesta: 833 cm3 Datos: Temperatura inicial= 0 °C Temperatura final= 106 °C Presión inicial=presión final (isobárico) Volumen inicial= 600 cm3 Solución: Partimos de la fórmula

Vi * Pi Vf * Pf = . Se debe tener en cuenta que la Pf y la Pi son Ti Tf

las mismas por lo que se simplifican quedando la siguiente expresión:

Vi Vf = , a continuación despejamos la incógnita que es Vf Ti Tf Página 42 de 50

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Energía calórica

Vf =

Vi * Tf y reemplazamos por los valores de los datos teniendo en cuenta la Ti

necesidad de cambiar °C por °K ya que no se puede dividir por cero

Vf =

600cm3*379° K , obteniendo como resultado 273° K

Vf = 833 cm3

Ejercicio 7: Una masa de nitrógeno, a 20 °C y a 2 atmósferas de presión ocupa un volumen de 800 cm3. ¿Qué variación de volumen se producirá al calentar isobáricamente hasta 156,6 °C? ¿Qué variación de presión se producirá si el gas se calentara hasta esa misma temperatura a volumen constante? Respuesta: a) 5464 cm3 ; b) 13,66 atm Datos: Temperatura inicial= 20 °C Temperatura final= 156,6 °C Presión inicial= 2 atm Volumen inicial= 800 cm3 Volumen final con calentamiento isobárico=? Presión final a volumen constante? Solución: Partimos de la fórmula

Vi * Pi Vf * Pf = . Tengamos en cuenta que en el primer Ti Tf

requerimiento la presión se mantiene constante a 2 atmósferas por lo que podemos simplificar quedando la siguiente expresión

Vi Vf = , a continuación despejamos la incógnita que es Vf Ti Tf Vi * Tf Vf = y reemplazamos por los valores de los datos Ti 800cm3*156, 6°C Vf = , obteniendo como resultado Vf = 6264 cm3 , pero el ejercicio nos 20°C pide la variación del volumen ∆V = Vf − Vi ; ∆V = 6264cm3 − 800cm3 ; Obteniendo como resultado

∆V = 5464 cm3

El segundo requerimiento nos pide que calculemos la presión para que aumentemos la temperatura a volumen constante. Partimos de la fórmula

Vi * Pi Vf * Pf = . Si es a volumen constate se pueden simplificar Ti Tf

quedando una expresión como la que se muestra a continuación

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Energía calórica

Pi Pf = del la cual despejamos la presión final Ti Tf Pf =

Pi * Tf , y reemplazamos por los datos Ti

2atm *156, 6°C , obteniendo como resultado Pf = 15, 66atm ; pero el ejercicio nos 20°C pide la variación de presión ∆P = Pf − Pi ; ∆P = 15, 661atm − 2atm , obteniendo como Pf =

resultado final

∆P = 13, 66atm

Ejercicio 8: Una masa de hidrógeno ocupa un volumen de 500 cm3 en condiciones normales de presión y temperatura (0 °C y 1 atmósfera). ¿Qué variación de volumen se producirá si se lo comprime isotérmicamente hasta una presión de 4,5 atm? Respuesta: 111,11 cm3 Datos: Volumen inicial= 500 cm3 Presión inicial=1 atm Temperatura inicial= 0 °C ´0 273 °K Temperatura final = 0 °C ´0 273 °K (comportamiento isotérmico) Presión final= 4,5 atm Volumen final=? Solución: Partimos de la fórmula

Vi * Pi Vf * Pf = . Si es a temperatura constante quiere decir que Ti Tf

la Ti = Tf y se simplifican quedando la siguiente expresión Vi * Pi = Vf * Pf , y procedemos a despejar la incógnita Vf

Vi * Pi , y reemplazamos por los valores de los datos Pf 500cm3*1atm Vf = 111,11 cm3 Vf = , obteniendo como resultado final 4,5atm Vf =

Ejercicio 9: Un gas ocupa 6 dm3 a 0 °C y 4 atm. ¿Cuál será su presión a 546 °K, si ocupa un volumen de 8 dm3? Respuesta: 6 atm Datos: Volumen inicial= 6 dm3 Volumen final= 8 dm3 Temperatura Inicial= 0 °C ó 273 °K Temperatura final= 546 °K

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Energía calórica Presión inicial= 4 atm Presión final=? Solución: Partimos de la fórmula

Vi * Pi Vf * Pf = y despejamos la incógnita Presión final Ti Tf

Vi * Pi * Tf , y reemplazamos por los datos Vf * Ti 6dm3* 4atm *546° K Pf = , obteniendo como resultado final 8dm3* 273° K Pf =

Pf = 6 atm

Respuesta a la actividad 6: Dilatación de los cuerpos

a. El aluminio tiene un coeficiente de dilatación menor que el papel. b. Al tener coeficientes de dilatación diferentes es que se separan al entrar en contacto con el calor de la llama.

Respuesta a la actividad 7: dilatación de los cuerpos. Cuando colocamos el frasco con el agua coloreada en el recipiente con agua caliente, podemos observar como el agua sube por el tubo de plástico lo que determina el aumento de temperatura y la dilatación de la misma. Por el contrario, cuando colocamos el frasco en el recipiente que contiene el agua fría, lo que se observa es que al ceder calor, la temperatura baja y el líquido se dilata.

Respuesta a la actividad 8: Se desarrolla dentro de la unidad didáctica.

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Energía calórica Actividad 9: En esta actividad le proponemos resolver los siguientes ejercicios sobre el tema Dilatación de los cuerpos. Una vez finalizada la actividad observe si todos los ejercicios han sido resueltos correctamente, de lo contrario le sugerimos que vuelva a leer el tema. Tiempo estimado: 2 horas. Ejercicio 1: ¿Cuántas calorías son necesarias para fundir 100 g de hielo que se hallan a 0°C (f=80cal/g) Respuesta: 8000 cal Ejercicio 2: ¿Cuántas calorías absorben 100 g de cobre, 100 de hierro y 100 de plomo para fundir, si todos se hallan en sus temperaturas de fusión? Si no encuentra el calor de fusión del elemento en las tablas deberá buscarlo en internet. Respuesta: QCu=4100 cal; QFe=4900 cal; QPb=2700 cal Ejercicio 3: Se quiere fundir 100 g de cinc que se encuentran a 399 °C ¿Cuántas calorías serán necesarias? Respuesta: Q1=191 cal; Qf=2300 cal

Qt=2491 cal

Ejercicio 4: En un calorímetro hay 260 g de agua a 35 °C. Se echan en el agua 55 g de hielo a 0°C y cuando todo el hielo a fundido la temperatura del sistema es de 15 °C. ¿Cuál es el calor de fusión del hielo? Respuesta: f=79,54 cal/g Ejercicio 5: En un recipiente hay 10 litros de agua a 30 °C. Se requiere bajar la temperatura del agua a 15 °C echando 2000 g de hielo. ¿Alcanzará el hielo? Respuesta: Si. Se necesitan solo 1578,9 g de hielo. Ejercicio 6: Qué cantidad de calor será necesario para transformar 200 g de hielo a -4 °C en 200 g de vapor de agua a 100 °C? Respuesta: Si todo el hielo funde, la temperatura final es de tf=11,66 °C

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Energía calórica Respuesta a la actividad 10: a. Por conducción: es el fenómeno de propagación del calor a través de los sólidos sin que se produzca transporte de materia. Por convección: es el proceso de propagación del calor mediante el movimiento o desplazamiento de la sustancia caliente. Por radiación: es la emisión de energía a través de la superficie de los cuerpos sin intervención de los medios materiales. También se propaga el calor en el vacío. b. Por la diferencia existente en sus calores específicos. c. Sí. En cada uno de ellos se puede transmitir el calor por medio de la conducción, convección o radiación o por más de un método a la vez. d. ¿Dependerá básicamente del sistema de calefacción instalado. Si es loza radiante es por medio de convección de agua caliente. Si es por calefactores es por convección de aire caliente. Si es por radiadores o estufas eléctricas es por medio de radiación. e. Es fundamental determinar el sistema de ventilación respecto de la calefacción a efectos de mantener un clima agradable y de confort. f.

Es aquel que irradia toda la energía que recibe. Son buenos emisores y receptores de energía.

Respuesta a la actividad 11: Al encender la vela, el calor de la llama calienta el aire que la rodea. La densidad del aire cambia haciéndose menos denso y por lo tanto asciende por convección. Al ascender choca con el espiral de papel haciéndolo girar.

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Energía calórica

Respuesta a la autoevaluación 1(Calor y Temperatura) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta FRASE La sustancia de menor temperatura puede entregar calor a la de mayor temperatura. Si dos sustancias tienen igual estado térmico no se produce entre ellas intercambio de calor. Dos sustancias de diferentes estado térmicos pueden encontrar el equilibrio térmico con una temperatura superior al de las dos sustancias involucradas. Dos sustancias de distintos estados térmicos puestas en contacto igualan sus estados térmicos El cambio de estado térmico de una sustancia no modifica sus propiedades físicas La sustancia más caliente cede calor a la más fría

TILDE

X

X

X

Dos sustancias con igual estado térmico puestas en contacto, no modifican sus constantes físicas. Dos sustancias con diferentes estados térmicos puestas en contacto modifican sus constantes físicas. Entre dos sustancias con igual estado térmico puestas en contacto entre sí se produce intercambio de calor y por ende existen modificaciones en sus propiedades físicas.

X

Respuesta a la autoevaluación 2(Calorimetría) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta FRASE La cantidad de calor cedida o absorbida es una magnitud.

TILDE X

Para que una substancia entregue calor a otra, su calor específico debe ser mayor. El aumento de presión de un recipiente si se mantiene el volumen constante estará dado solo si el proceso se realiza isotérmicamente. El cambio de estado térmico de una sustancia no modifica sus propiedades físicas La dilatación volumétrica es una característica única de los líquidos y de los gases. En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de X otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Dos sustancias con diferentes estados térmicos puestas en contacto modifican sus X constantes físicas. La cantidad de calor cedido por una sustancia es la misma que la recibida por la X otra sustancia 4. Defina caloría: es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C. 5. Defina calor específico: Es una característica propia de cada sustancia que determina la cantidad de calor que se le debe entregar a un gramo de esa sustancia para elecar su temperatura en 1 °C. 6. Se poseen 3 sustancias de igual masa y sus estados térmicos son tales que la t de A > B > C. Si se los coloca en un mismo recipiente y se logra un equilibrio térmico la t resultante será: a. Mayor que A. Página 48 de 50

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Energía calórica b. c. d. e.

Menor que C Igual a B. Todas las anteriores. Ninguna de las anteriores. (X): la temperatura final se encuentra entre A y C.

Respuesta a la autoevaluación 3(Calor y trabajo mecánico) 1.

¿Puede el trabajo transformarse en calor? De ejemplos. Sí. Ejemplos: Los frenos de un auto, flexionar varias veces un alambre para cortarlo, golpear un martillo sobre un metal, cortar un hierro con una sierra.

2.

¿Puede el calor generar trabajo? De ejemplos. Sí. Ejemplos. Las locomotoras a vapor, los motores a combustión interna, los motores de los aviones

3.

¿El calor es una forma de energía? Sí. Se denomina energía térmica.

4.

Sabemos que la unidad de medida del trabajo mecánico es el Joule y la unidad de la cantidad de calor es la caloría. ¿Cuál es la equivalencia entre el calor y el trabajo? 1 Joule = 0,2389 cal lo que implica que 1 cal = 4,18 J

Respuesta a la autoevaluación 4(Dilatación de los cuerpos) Marque con un tilde las frases que usted considere correctas FRASE

TILDE

La dilatación cúbica es una característica única de los líquidos y de los gases. La dilatación volumétrica es una característica única de los líquidos y de los gases. El coeficiente de dilatación es característico de cada elemento.

X

La dilatación de todos los elementos depende del coeficiente de dilatación y de la variación de temperatura La variación de la longitud de un elemento sólido (alambre) será mayor mientras su temperatura aumente. El agua se comporta como el resto de los elementos

X

El punto de contracción máxima del agua se produce a los 4 °C.

X

En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Las constantes físicas de los elementos no cambian con la variación de la temperatura

X

X

9. Defina coeficiente de dilatación lineal: Es propio de cada sustancia y es la relación entre la longitud inicial de dicha sustancia, y el incremento de longitud por cada grado centígrado que aumenta su temperatura. 10. Escriba la ecuación que nos permite calcular la dilatación lineal de un sólido y explique el significado de cada uno de sus símbolos. Página 49 de 50

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Energía calórica

Lf = Li *(1 + ∆t * α ) Lf=Longitud final Li= Longitud inicial ∆t= Variación de temperatura

α = coeficiente de dilatación lineal 11. Proceda de la misma manera que en el punto dos con la ecuación superficial y volumétrica.

Sf = Si * (1 + ∆t * 2α ) Sf=Superficie final Si= Superficie inicial ∆t= Variación de temperatura 2 α = coeficiente de dilatación superficial (2 α =β)

Vf = Vi * (1 + ∆t *3α ) Vf=Volumen final Vi= Volumen inicial ∆t= Variación de temperatura 3 α = coeficiente de dilatación volumétrico (3 α =γ) 12. Si conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido ¿Cómo se procede para hallar el coeficiente de dilatación superficial y cúbica del mismo? Coeficiente de dilatación superficial es el doble del lineal y el volumétrico es el triple. 13. Explique y justifique lo que sucede con el peso específico de un material al calentarse. Al calentarse una sustancia, su volumen aumenta y como el peso específico es el cociente entre el peso y su volumen, entonces el peso específico es menor. 14. ¿En la dilatación de los líquidos existe una dilatación aparente y otra real? ¿Por qué? Sí. Porque también se dilata el recipiente que contiene dicho líquido. 15. ¿A qué temperatura el agua presenta su mayor peso específico? ¿Por qué? A los 4 °C porque es a la temperatura que posee su menor volumen. 16. Si se aprecia un aumento en el volumen de un gas en un proceso isotérmico eso implica que: f. g. h. i. j.

La presión debe aumentar. Si hay un aumento de volumen no puede ser un proceso isotérmico. Es un proceso isobárico. La presión debe disminuir. (X) Ninguna respuesta es la correcta.

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Respuesta a la autoevaluación 5(Propagación del calor) Marque con un tilde la frase que usted considere que es correcta FRASE La única forma propagación del calor en un cuerpo sólido es por conducción.

TILDE X

El quemar calorías por el metabolismo del cuerpo hace que éste eleve su temperatura. La diferencia fundamental entre la trasferencia de calor por convección y por radiación es que una se realiza en el vacío y la otra no. Al colocar una estufa sobre el piso de una habitación el aire calienta al disminuir su densidad sube y es reemplazado por el frío que fue reemplazado de la parte superior de la habitación. Un ambiente isotérmico facilitará el intercambio de calor por conducción. En iguales condiciones de presión, la variación volumétrica de un gas respecto de otro al variar la temperatura dependerá de su coeficiente de dilatación. Al aumentar la temperatura de un líquido aumenta su densidad.

X

X

X

¿A que se denomina cuerpo negro ideal? Se denomina cuerpo negro ideal a aquel que transmite toda la energía calórica que recibe. Circunde la/ respuesta/ que considere correctas El sol calienta la tierra por: d. Dilatación de los vientos espaciales e. Iluminación f. Radiación

d. Conducción e. Convección f. Ninguno de los anteriores

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