El Universo está formado por dos elementos: Materia y Energía . La materia está formada por átomos y moléculas, y la energía hace que estos átomos y moléculas se muevan constantemente, ya sea vibrando de un lado a otro o chocando entre sí. Este movimiento de moléculas y átomos genera un tipo de energía conocida como Energía Térmica o Calor . El calor existe en todos los materiales, incluso en los espacios más fríos del espacio. Este artículo analiza la calorimetría , que es una forma de medir la transferencia de calor que ocurre dentro de una reacción química u otros procesos físicos. Antes de pasar al tema principal, primero comprendamos qué es el calor y la temperatura.
Calor: Cuando dos cuerpos que tienen diferente temperatura se mantienen en contacto, el cuerpo que tiene una temperatura más alta se enfría y el cuerpo que tiene una temperatura más baja se calienta. Aquí la energía se transfiere cuando los dos cuerpos que tienen diferencias de temperatura entran en contacto entre sí. Por lo tanto, la energía que se transfiere entre dos cuerpos como resultado de la diferencia de temperatura se conoce como Calor . La unidad SI de calor es Joule (J).
Temperatura: La cantidad física de un material que expresa el calor o frío de un material, se conoce como Temperatura . La temperatura se mide con un termómetro o calorímetro. La temperatura se mide en tres escalas Celsius, Fahrenheit y Kelvin. La unidad SI de temperatura es Kelvin (K).
Propiedades térmicas de la materia
Las propiedades físicas de la materia, que muestra un material cuando el calor pasa a través de él, se conocen como propiedades térmicas de la materia. Estas son las propiedades que deciden la naturaleza de la materia en presencia de calor, es decir, cómo se comportará el material cuando se someta a calor excesivo o bajo. Las propiedades térmicas de la materia están relacionadas con su conductividad del calor. Hay cuatro tipos de propiedades térmicas de la materia que se analizan a continuación:
1. Capacidad Calorífica: La cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura del material en 1 °C sin ningún cambio de fase, se conoce como Capacidad Calorífica. Esta cantidad de calor generalmente se expresa en Joules o Calorías y las fluctuaciones de temperatura o simplemente la temperatura se expresa en Celsius o Fahrenheit. La unidad SI de capacidad calorífica es Joule por Kelvin (J/K).
- La capacidad calorífica específica de un material es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de un material en 1 °C.
- La capacidad calorífica molar de un material es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 mol de un material en 1 °C.
2. Expansión Térmica: Cuando el calor pasa a través de un material, su forma cambia de su forma original. En otras palabras, un objeto se expande al calentarse. Entonces hay un aumento en el tamaño del cuerpo debido a un aumento en la temperatura. Esta propiedad del material se denomina Expansión Térmica . La expansión térmica es apreciablemente alta en el caso de los gases, mientras que en el caso de los líquidos y los sólidos es relativamente pequeña.
3. Conductividad térmica: la conductividad térmica es la propiedad de un material para transferir/conducir calor. La conductividad térmica se produce cuando dos objetos se ponen en contacto. Estos materiales se denominan conductores . Entre los conductores, el calor se mueve desde los materiales que tienen alta energía térmica hacia los materiales que tienen baja energía térmica. Esta transferencia de calor continuará hasta que se mantenga el equilibrio térmico entre los objetos que se mantienen en contacto entre sí. A continuación se muestra la imagen que muestra la conductividad térmica.
Los materiales que no conducen el calor en absoluto se conocen como aislantes. Estos objetos muestran propiedades aislantes. Por ejemplo, el vidrio de una ventana normal conducirá menos calor que una barra de hierro.
La unidad SI de conductividad térmica es W/mK (vatios por metro-Kelvin). La conductividad térmica se puede calcular utilizando la fórmula que se indica a continuación:
k = Q × L/A (T 2 – T 1 )
donde k es la conductividad térmica, Q es el flujo de calor, L es el grosor o la longitud del objeto, A es el área superficial del objeto y (T 2 – T 1 ) es el gradiente de temperatura.
Conductividad térmica
4. Estrés Térmico: Debido a la expansión o contracción térmica el cuerpo experimenta algún tipo de estrés. Esto se llama estrés térmico. La desventaja del estrés térmico es que tiene el potencial de destruir el objeto, ya que puede hacer que el material explote, por lo que puede resultar destructivo por naturaleza. Aparte de esta desventaja, el estrés térmico también puede tener ventajas, por ejemplo, al unir dos partes calentando una parte en la fabricación y luego deslizándola sobre la otra, lo que permite que esta combinación se enfríe.
La fórmula para calcular el estrés térmico es la siguiente:
δ t = α × L × (T – T 0 )
donde δ es la deformación debida al cambio de temperatura, α es el coeficiente de temperatura de expansión, L es la longitud original, T es la temperatura final y T 0 es la temperatura inicial.
Por ejemplo, se pueden ver grietas en las llantas de camiones grandes, conducir a altas velocidades en la carretera provoca fricción entre la superficie de la carretera y las llantas que producen calor que resulta en la expansión térmica. Como resultado de esta expansión térmica, los neumáticos experimentan estrés. Entonces la grieta es el resultado del estrés térmico. Entonces, estudiemos ahora la calorimetría que se explica a continuación,
Calorimetría
La calorimetría es la rama de la física que monitorea los cambios en la energía térmica de un cuerpo. Todos somos conscientes de que el calor es un tipo de energía. La temperatura de un cuerpo indica la cantidad de calor que contiene. Como resultado, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía térmica de un cuerpo.
Como resultado, para determinar si un cuerpo ha recibido o perdido energía calorífica, medimos la temperatura del cuerpo antes y después de la transferencia. El cambio en la energía térmica del cuerpo está determinado por la variación de la temperatura.
La calorimetría es el acto o ciencia de observar el cambio en las variables de estado de un cuerpo para medir la transferencia de calor asociada con cambios en sus estados, como cambios físicos o transiciones de fase bajo ciertas condiciones. Se utiliza un calorímetro para realizar la calorimetría. Tenga en cuenta que este tema cubre principalmente la transmisión y conversión de energía de ‘Calor’ en otros tipos de energía como trabajo y viceversa.
Calorímetro
Un aparato que se utiliza para la medición del calor (cambios térmicos de un cuerpo) necesario para la calorimetría, se conoce como Calorímetro .
Un calorímetro simple es un recipiente que generalmente está hecho de cobre con un agitador del mismo material. El recipiente se guarda en una caja de madera para separarlo térmicamente del entorno. Se utiliza un termómetro para medir la temperatura del contenido del calorímetro. Hay una abertura a través de la cual se puede insertar un termómetro para medir el cambio en las propiedades térmicas del interior.
Los objetos que están a diferentes temperaturas se ponen en contacto entre sí en el calorímetro. En un calorímetro se quema una cantidad fija de combustible, lo que lleva al calentamiento del agua. El calor que pierde el combustible es igual al calor que gana el agua. Como resultado, se intercambia calor entre los objetos y el calorímetro. Despreciando cualquier intercambio de calor con el entorno. Por eso es importante que el calorímetro esté aislado del medio ambiente; para mejorar la precisión del experimento. Este intercambio de calor se mide a través del termómetro.
Calorímetro
Principio del calorímetro
Cuando dos cuerpos de diferente temperatura (idealmente un sólido y un líquido) entran en contacto físico entre sí, el calor se transfiere del cuerpo con mayor temperatura al cuerpo con menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico entre ellos. El cuerpo a temperaturas más altas emite calor, mientras que el cuerpo a temperaturas más bajas absorbe calor.
El principio de la calorimetría explica la ley de conservación de la energía, que establece que el calor total perdido por el cuerpo caliente es igual al calor total ganado por el cuerpo frío, es decir:
Calor perdido = Calor ganado
El calor se calcula usando la fórmula de Calorimetría,
Q = mC∆T
donde Q es la capacidad calorífica, m es la masa, C es la capacidad calorífica específica y ΔT es el cambio de temperatura.
Calor latente
La cantidad de calor requerida para cambiar completamente la unidad de masa de una sustancia de un estado a otro estado a una temperatura constante se conoce como calor latente . Sin embargo, la cantidad de calor requerida para cambiar la unidad de masa de un sólido a su estado líquido en su punto de fusión a una temperatura constante, se conoce como calor latente de fusión . Por ejemplo; el Calor latente de fusión del hielo es de 80 kcal kg -1 .
La cantidad de calor que se necesita para fundir un sólido de masa m se puede escribir como:
Q = ml
donde L es una constante para el material dado (y las condiciones circundantes) o se conoce como el calor latente específico de fusión/vaporización.
Esta ecuación también es válida cuando un líquido cambia su fase a vapor. Aquí, la constante L se denomina calor latente específico de fusión, o el calor latente de fusión también se usa para significar lo mismo.
Cuando un sólido se derrite, las moléculas de este sólido fundido se separan contra la fuerte atracción molecular y esto necesita algo de energía que se suministra desde el exterior. Así, la energía interna de un material dado es mayor en la fase líquida que en la fase sólida. De manera similar, en la fase de vapor, la energía interna de un material dado es mayor que en la fase líquida.
La cantidad de calor requerida para cambiar la unidad de masa de líquido a su estado de vapor en su punto de ebullición a una temperatura constante se conoce como calor latente de vaporización . Por ejemplo; el calor latente de vaporización del H 2 O es de 540 kcal kg -1 .
Problemas de muestra
Problema 1: La piel de una persona se quema más severamente cuando se pone en contacto con 1 g de vapor a 100 o C que cuando se pone en contacto con 1 g de agua a 100 o C. Explique.
Solución:
Debido al calor latente de vaporización, el vapor tiene mayor energía que el agua hirviendo. La energía interna del agua hirviendo a 100 o C es menor que la energía interna del vapor a la misma temperatura. Por lo tanto, la piel de una persona se quema más severamente cuando se somete a 1 g de vapor a 100 o C.
Problema 2: Se guarda un calorímetro en una caja de madera para aislarlo térmicamente del entorno. ¿Por qué es necesario?
Solución:
Si un calorímetro no se guarda en una caja de madera aislada, entonces el calor del calorímetro debe intercambiarse con el entorno y esto viola el principio del calorímetro porque para determinar la capacidad calorífica específica exacta, se debe conocer el calor total transferido. Por lo tanto, un calorímetro se guarda en una caja de madera para aislarlo térmicamente del entorno.
Problema 3: cuando hierve un sólido fundido o un líquido, la temperatura no aumenta incluso cuando se suministra calor. ¿A dónde va la energía?
Solución :
Cuando hierve un sólido derretido o un líquido, la temperatura no aumenta incluso cuando se suministra calor porque el calor que se suministra en realidad se usa para romper el enlace de fuerzas entre las moléculas del material y separar las moléculas hasta que el cuerpo cambia por completo. su estado Por lo tanto, este calor suministrado se transfiere a las moléculas como energía cinética y la temperatura del material permanece constante durante el proceso.
Problema 4: Un recipiente de aluminio que tiene una masa de 0,5 kg contiene 0,2 kg de agua a 20 o C. Un bloque de hierro de 0,2 kg de masa a 100 o C se coloca suavemente en el agua. Encuentre la temperatura de equilibrio de la mezcla. Las capacidades caloríficas específicas del aluminio, el hierro y el agua son 910 J kg -1 K -1 , 470 J kg -1 K -1 y 4200 J kg -1 K -1 respectivamente.
Solución:
Dado,
Masa del recipiente de aluminio = 0,5 kg
Masa de agua = 0,2 kg
Masa del bloque de hierro = 0,2 kg
Temperatura del agua y del aluminio = 20 o C = 20 + 273 = 293K
Temperatura del hierro = 100 o C = 100 + 273 = 373K
Calor específico del aluminio = 910 J kg -1 K -1
Calor específico del agua = 4200 J kg -1 K -1
Calor específico del hierro = 470 J kg -1 K -1
Sea T la temperatura de equilibrio de la mezcla.
Calor ganado por el agua = 0,2 × 4200 × (T-293)
Calor ganado por el hierro = 0,5 × 910 × (T-293)
Por lo tanto,
Calor total ganado, H 1 = 0,2 × 4200 × (T-293) + 0,5 × 910 × (T-293)
= (T-293)[0,2 × 4200 + 0,5 × 910]
= (T-293)[840 + 455]
= (T-293)1295
Calor perdido por el hierro, H 2 = 0,2 × 470 × (373-T)
= 94 (373-T)
Ahora, sabemos que,
Calor ganado = Calor perdido
(T-293) 1295 = 94 (373-T)
(T-293)1295 / 94 = (373-T)
(T-293)14 = (373-T)
14T – 4102 = 373 – T
15T = 4475
T = 4475/15 = 298,33K ≈ 298K
Por lo tanto, T = (298 – 273) = 25 o C
Por lo tanto, la temperatura de equilibrio de la mezcla es de 25 o C.
Problema 5: Un cubo de hierro (Densidad = 8000 kg m -3 , capacidad calorífica específica = 470 J kg -1 K -1 ) se calienta a alta temperatura y se coloca sobre un gran bloque de hielo a 0 o C. El El cubo derrite el hielo debajo de él, desplaza el agua y simplemente entra en el hielo. Calcular la temperatura inicial del cubo. Desprecie cualquier pérdida de calor fuera del hielo y del cubo. La densidad del hielo = 900 kg m -3 y el calor latente de fusión del hielo = 3,36 × 10 5 J kg -1 .
Solución:
Dado:
Densidad del cubo de hierro = 8000 kg m −3
Capacidad calorífica específica, s = 470 J kg −1 K −1
Densidad del hielo = 900 kg m −3
Calor latente de fusión del hielo, l = 3,36 × 10 5 J kg −1
Sea v el volumen del cubo.
Volumen de agua desplazado = v
Masa del cubo, m = 8000 v kg
Masa del hielo derretido, M = 900 v
Sea t K la temperatura inicial de la plancha.
Ahora sabemos
Calor ganado = calor perdido
Por lo tanto,
Calor ganado por el hielo = Calor perdido por el cubo de hierro
metro × s × (t – 273) = METRO × l
⇒ 8000 V × 470 × (T − 273) = 900 V×( 3,36 × 10 5 )
⇒ 376 × 10 4 × (T − 273) = 3024 × 10 5
⇒ 376 × (T − 273) = 30240
⇒ 376T – 102648 = (30240 + 102648)/376
⇒ T = 132888/376
⇒ T = 353,43 K ≈ 353 K
⇒ T = 353 – 273 = 80 o C
Por tanto, la temperatura inicial del cubo es de 80 o C.
Problema 6: Calcule el tiempo requerido para calentar 20 kg de agua de 10 o C a 35 o C usando un calentador de inmersión de 1000 W. Suponga que el 80 % de la potencia de entrada se usa para calentar el agua. Capacidad calorífica específica del agua = 4200 J kg -1 K -1 .
Solución:
Dado que,
Masa de agua, m = 20 kg
Cambio de temperatura, Δt = 25 °C
Potencia nominal de la varilla de inmersión, p = 1000 W
Capacidad calorífica específica del agua, s = 4200 J kg −1 K −1
Cantidad total de calor necesaria para elevar la temperatura de 10°C a 35°C,
Q = m × s × Δt
Q = 20 × 4200 × 25
Q = 20 × 4200 × 25 = 21 × 10 5 J
Sea t el tiempo necesario para calentar 20 kg de agua de 10 °C a 35 °C.
Solo el 80% de la entrada de energía se utiliza para calentar el agua. Por lo tanto,
Energía de la varilla de inmersión utilizada para calentar agua = t × 0,80 × 1000 J
Ahora,
t × 0,80 × 1000 = 21 × 10 5
t × 800 = 21×10 5 =2625 s⇒t=262560=43,75 min ≈44 min
t = (21 × 10 5 )/800
= 21000/8 = 2625 s = 43,75 min
= 43,75 minutos ≈ 44 minutos
Por lo tanto, el tiempo requerido es de 44 min .
Problema 7: Un ladrillo que pesa 4 kg se deja caer en un río de 1 m de profundidad desde una altura de 2 m. Suponiendo que el 80% de la energía potencial gravitacional finalmente se convierte en energía térmica, encuentre esta energía térmica en calorías.
Solución:
Dado:
Masa de ladrillo, m = 4 kg
Distancia vertical total cubierta por ladrillo, h = 3 m
Energía potencial gravitacional convertida en energía térmica = 80%
Por lo tanto,
Cambio en la energía potencial del ladrillo = mgh = 4 × 10 × 3 = 120 J
Ahora,
Energía Térmica = 120 × (80/100) = 96 J
Energía térmica en calorías, T = 96/4,2
= 22,86 cal ≈ 23 cal
Por lo tanto, la energía térmica requerida en calorías es 23 Cal.
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por nehashrirudra y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA