Seminario Multimedia Fenomenos Termicos

Modelos Mecánicos de las Sustancias

Sólidos

Las moléculas tienen gran cohesión, es decir que hay gran energía potencial entre la moléculas (EP); también existe poca movilidad de las moléculas (vibración) , es decir que hay poca energía cinética (EC)

∑E

C

< ∑ EP

Líquidos

Las moléculas tienen menos cohesión, es decir que ha disminuido la EP y la vibración ha aumentado, entonces aumentó la EC.

∑E

C

≅ ∑ EP

Gases Las moléculas tienen muchísimo menos cohesión, o sea que hay poca EP; la vibración ha aumentado más que en los líquidos, es decir que aumentó en gran medida la EC.

∑E

C

> ∑ EP

Energía Interna

De los modelos mecánicos moleculares se puede concluir que en el interior de todo cuerpo existe un tipo de energía a la que denominaremos Energía Interna que se calcularía asi:

U = ∑ EC + ∑ EP

Para medir la energía interna de una sustancia habría que sumar la EC de todas las moléculas y la energía potencial que hay entre estas, pero ¿será posible medir lo indicado? La respuesta es que NO se puede medir por la gran cantidad de partículas en constante interacción y movimiento, entonces se usan otros parámetros como: temperatura, presión, volumen, etc, para darnos una idea de la energía interna en una sustancia.

Temperatura Es un parámetro macroscópico que mide el grado de agitación molecular promedio que tienen las moléculas.De allí se deduce que la temperatura está relacionada en forma directa con la Ec de las moléculas. Unidades: Celsius(°C) o Kelvin (K)

30°C

60°C

Ahora veamos que ocurre si se colocamos dos sustancias a diferente temperatura: Las moléculas con mayor energía cinética interactúan con las de menor energía y seden parte de su energía interna. Esta energía transferida debido a una diferencia de temperatura se le denomina Calor (Q).

Teq = 42,5°C

Se observa que al cabo de un tiempo las sustancias mezcladas alcanzan una misma temperatura denominada Temperatura de Equilibrio (Teq).

Para representar en forma práctica la transferencia de calor usamos un diagrama lineal de temperaturas, tal como se muestra.

QG

mA Donde: QG: calor ganado QP: calor perdido

QP

mA + mB

mB

EFECTOS QUE OCASIONA EL CALOR •Cambio de temperatura •Cambio de fase •Variaciones en las dimensiones geométricas de los cuerpos (Dilatación)

CAMBIO DE TEMPERATURA Calor Sensible (Qs) Es la cantidad de calor que se requiere para que una sustancia cambie de temperatura. Si se encienden ambas cocinas y se desea que alcancen la misma temperatura (80°C) se requiere dar más calor a la que tiene mayor masa de agua.



QS DP m

Además cuando mayor es el calor que se le transmita , mayor será su temperatura.

 QS De esto se puede concluir:

QS =Ce K ⋅ m ⋅ ∆T Esta constante se denomina Calor Específico (Ce).

DP

∆T

Pero ¿qué significa el calor específico? Es la cantidad de calor, por unidad de masa, que debe ganar o perder una sustancia para variar su temperatura en 1°C

Tabla con algunos calores específicos Sustancia

Calor específico

Agua líquida

1

Agua sólida (hielo)

0,5

Agua gaseosa (Vapor)

0,5

Aluminio

0,22

Ejemplo: Queremos bañarnos con agua tibia (50°C) y tenemos 20 litros de agua a temperatura ambiente (18°C); ¿Cuánto calor se requiere para nuestro propósito? Solución:

QS = Ce ⋅ m ⋅ ∆T QS = 1 ⋅ (20 ⋅103 ) ⋅ (50 − 18) → QS = 840 K cal

Capacidad calorífica (Cc) Es la cantidad de calor que requiere ganar o perder una sustancia para variar su temperatura en 1°C.

QS Cc  T



QS  CcT

¿Qué significa que un recipiente tenga Cc = 40cal/°C? Por cada 40cal ganados o perdidos la temperatura del recipiente aumenta o disminuye en 1°C

EQUIVALENTE EN AGUA(EqH2O) Es la cantidad de agua que al ganar o perder la misma cantidad de calor que la sustancia cambia su temperatura en el mismo valor sustancia

T

H2O

Qs

Q

T

ganado por el recipiente

 Q

ganado por el agua

Cc T  (1) mH 2O T EqH 2O Por lo tanto:

Cc  EqH 2O

Qs

PROBLEMA N° 6 QGANADO Teq= 40°C

20°C

Q

ganado por el recipiente

QPERDIDO

 Q

ganado por el agua

Q

0, 22 (100) 20  (1) 200 (20)  Cem(1110)10 Por lo tanto:

Cem  0, 4cal / g C

METAL

50°C perdido por el metal

PROBLEMA N° 3 QGANADO

T

22°C

Q

ganado por el recipiente

QPERDIDO

 Q

ganado por el agua

70°C

Q

perdido por la esfera

Cc = EqH2O

30 (T  22)  (1) 20 (T  22)  0,5 (100) 10

Por lo tanto:

T  32C

ESFERA

80°C

PROBLEMA N° 7 EE P t

P: Potencia eléctrica (W) EE: Energía eléctrica (J) t: tiempo (s)



EE  Pt

La EE se transforma en calor(efecto Joule),y este calor es absorbido por una masa m de agua

EE  Q

ganado por el agua

Por lo tanto:

potencia(W) tiempo(s)

3  10  3600(0, 24)  3  CemT

m  28,8 Kg

(1) m (90)

PROBLEMA N° 4 QDIS

20m/ s

V=0

fk  Debido al trabajo de la fuerza de rozamiento la energía cinética del bloque

se transforma en calor.  Por dato: 

50%Ec 

Q

ganado por el bloque

m(20) 2 (0, 24)  0,3 (1000m) T Entonces: 50% 2

 Por lo tanto :

T  0, 08C

CAMBIO DE FASE Es el reordenamiento molecular que experimenta una sustancia debido a una variación en la interacción de las moléculas de la sustancia a determinadas condiciones de presión y temperatura(condiciones de saturación),por ejemplo analicemos al agua a 1atm y -5°C: -5°C

0°C

Q Donde: QT: Calor de transformación, que es el calor necesario par que m gramos de una sustancia cambie de fase.(cal/g)

0°C

0°C

QT

150°C

50°C

0°C

Q

Q

100°C

100°C

Q

100°C

QT

QT  mL

Donde: HIELO L=80 cal 0°C L=80 cal

L: Calor latente, que es el calor necesario por unidad de masa que cambia de fase

AGUA

AGUA

0°C

0°C

L=540 cal L=540 cal

VAPOR 100°C

Ejemplo: si queremos tomar gaseosa helada le agregamos un cubito de hielo (10g) estando a 0°C , si luego se derrite completadamente ¿Cuánto calor ganó el cubito para derretirse? Solución:

QT  mL

 QT  10  80

 QT  800 cal

PROBLEMA N° 9 -40°C

0°C

Qs 1

QT1

0°C

Qs 2

QsTOTAL  Qs1  Qs 2  0,5 m (40)  QT total  QT 1 



QT 2 

QsTOTAL 120m  QT total 620m

100°C

QT2 (1) m (100)

m (80)  m (540)  Por lo tanto:

100°C

 QsTOTAL  120m QT total  620m

QsTOTAL 6  QT total 31

PROBLEMA N° 10 120°C

Qs1

Q



extraído total

Q

extraído total

Por lo tanto:

100°C

100°C

QT1

20°C

Qs2

 Qs1  QT 1  Qs 2  0,5 (10) 20  (10) (540)  (1)(10)(80) Q fusión  mL

PROBLEMA N° 12 T(°C 40 )

só lid f.

0

a

5

-10

d

i u q

fusió n 20 0

lí f. a

30 0

Q(cal 40 ) 0

En la fusión el sólido recibe un calor igual a 300-200=100cal. Con este calor se fusionan los 20g del sólido.

Q fusión  mL  Por lo tanto:

100  20 L

L  5cal / g