Las propiedades térmicas de la materia hacen que una materia conduzca calor o determinan la naturaleza de la materia en presencia de calor. Como resultado, cuando el calor pasa a través de un objeto, exhibe propiedades térmicas. Diferentes materiales o cosas se comportan de manera diferente bajo el impacto del calor según sus características térmicas. Alternativamente, estas cualidades determinan cómo reacciona la materia cuando se somete a cambios de calor.
Las características térmicas se dividen en cuatro categorías: capacidad calorífica, expansión térmica, conductividad térmica y tensión térmica.
Veamos algunos ejemplos: llenar un recipiente con agua hasta la mitad y colocarlo en una estufa para calentar. Las burbujas comienzan a subir. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de las partículas de agua y se vuelve turbulenta cuando el agua comienza a hervir.
- La primera etapa es calentar una cantidad específica de agua a una temperatura de, digamos, 20 grados centígrados y registrar el tiempo que toma. Usando la misma fuente de calor, eleva la temperatura de la misma cantidad de agua en 40 grados centígrados y registra el tiempo. Se observa que tomó casi el doble de tiempo, es decir, el doble de la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de la misma cantidad de agua.
Figura 1
- Ahora en el segundo paso tomar el doble de la cantidad de agua y calentarla usando el mismo sistema de calentamiento para elevar la temperatura en 20 °C, se observa que el tiempo necesario será el doble del de la primera etapa.
Figura 2
- En la tercera etapa, caliente la misma cantidad de aceite, en lugar de agua, y eleve la temperatura en 20 grados centígrados. Registre el tiempo. Se observa que el tiempo que tarda es menor, y como resultado, la cantidad de calor requerida es menor que la requerida por el mismo volumen de agua para el mismo aumento de temperatura.
figura 3
¿Qué es la capacidad calorífica?
El cambio de temperatura de una sustancia, cuando una determinada cantidad de calor es absorbida o rechazada por ella, se caracteriza por una cantidad denominada capacidad calorífica de esa sustancia. Se denota por S.
Se expresa como,
S= ΔQ / ΔT
donde ΔQ es la cantidad de calor suministrada a la sustancia para cambiar su temperatura de T a T + ΔT
Capacidad calorífica específica
Cuando se aplica la misma cantidad de calor a la misma masa de diferentes sustancias, los cambios de temperatura resultantes no son los mismos. Indica que cada sustancia tiene un valor distinto para la cantidad de calor absorbido o rechazado para cambiar la temperatura de su unidad de masa en una unidad. La capacidad calorífica específica de una sustancia es la medida de esta cantidad. Se simboliza con la letra s.
Si S es la cantidad de calor absorbido o rechazado, es decir , ΔQ por una sustancia de masa m cuando experimenta un cambio de temperatura ΔT , entonces la capacidad calorífica específica de esa sustancia está dada por
s = S/m = (1/m) (ΔQ / ΔT)
La capacidad calorífica específica se define como el número de cambios de calor, es decir, calor absorbido o rechazado por una sustancia por unidad de masa para cambiar su temperatura en una unidad.
La capacidad calorífica específica es la propiedad de la sustancia que determina el cambio de temperatura de la cantidad dada de una sustancia, es decir, la cantidad de calor que se absorbe o rechaza.
La sustancia dada no experimenta ningún cambio de fase durante el cambio de temperatura. Depende de la naturaleza y la temperatura de la sustancia.
J kg –1 K –1 es la unidad SI para la capacidad calorífica específica.
Capacidad calorífica específica molar
Si la cantidad de sustancia se proporciona en moles en lugar de la masa m en kilogramos, la capacidad calorífica por mol μ de una sustancia se puede calcular de la siguiente manera:
C = S/μ = (1/μ)(ΔQ/ΔT)
donde C denota la capacidad calorífica específica molar de la sustancia. También depende de la naturaleza y la temperatura de la sustancia.
La unidad SI es Jmol –1 K –1 .
La capacidad calorífica específica molar a una presión fija, denotada por Cp , es la capacidad calorífica específica molar a una presión fija cuando el gas se mantiene a una presión fija durante la transferencia de calor. Si el volumen del gas se mantiene fijo durante la transferencia de calor, la capacidad calorífica específica molar correspondiente se conoce como capacidad calorífica específica molar a volumen constante y se indica mediante C v .
En comparación con otras sustancias, el agua tiene la mayor capacidad de calor específico a presión atmosférica. Es por eso que el agua se utiliza como refrigerante en los radiadores de los automóviles y como calentador en las bolsas de agua caliente. Durante el verano, el agua se calienta mucho más lentamente que la tierra debido a su gran capacidad calorífica específica y, como resultado, el viento del mar tiene un impacto refrescante.
Analicemos también otras características térmicas como:
Conductividad térmica:
No todos los materiales son capaces de transferir calor a través de sus cuerpos. Los conductores son los que pueden. Como resultado de su conductividad térmica, estos materiales permiten el paso del calor a través de ellos. Hay conductores con alta conductividad, lo que significa que conducen más calor que aquellos con baja conductividad de calor. Los aislantes son materiales que no conducen el calor de ninguna manera.
Estrés termal:
Los metales tienen la capacidad de transportar o transferir calor como una de sus cualidades. Esta transferencia da como resultado cambios físicos como la expansión cuando la temperatura sube y la contracción cuando la temperatura baja. Esto ocurre en cada una de las tres dimensiones. Cuando la temperatura cambia, la expansión térmica de los miembros estructurales metálicos provoca tensión térmica. La deformación térmica de los miembros estructurales es causada por cambios de temperatura.
El estrés térmico tiene la capacidad de dañar una cosa en algunos casos, por lo que podría ser de naturaleza destructiva. Por ejemplo, los neumáticos de camiones grandes desarrollan grietas. Esto se debe a que la conducción a alta velocidad hace que se produzca calor por la fricción entre la superficie de la carretera y los neumáticos. Los neumáticos se agrietan como resultado del estrés térmico resultante.
Temperatura y Calor:
La temperatura es una medida de calor o frialdad que es relativa. Un utensilio caliente tiene una temperatura alta, mientras que un cubo de hielo tiene una temperatura baja. Un objeto más caliente es aquel que tiene una temperatura más alta que otro. Caliente y frío, como alto y bajo, son conceptos relativos.
En un caluroso día de verano, un vaso de agua fría que se deja sobre una mesa se calienta lentamente, mientras que una taza de café caliente sobre la misma mesa se enfría. Cuando la temperatura del cuerpo, en este caso, agua fría o café caliente, y la temperatura del medio circundante difieren, la transferencia de calor entre el sistema y el medio circundante continúa hasta que el cuerpo y el medio circundante alcanzan la misma temperatura. .
El calor fluye del medio ambiente a un vaso de vidrio con agua fría, pero fluye de la taza de café caliente al medio ambiente en el caso del café caliente. En consecuencia, se define calor como la forma de energía intercambiada a través del diferencial de temperatura entre dos (o más) sistemas o entre un sistema y su entorno.
La unidad SI de energía térmica transportada es el joule (J), mientras que la unidad SI de temperatura es el Kelvin denotado por K, y la unidad de temperatura de uso frecuente es el grado Celsius denotado por °C. Muchos cambios pueden ocurrir cuando se calienta un objeto. Su temperatura puede alterarse, puede crecer y puede cambiar de estado.
Cambio de estado:
Sólido, líquido y gaseoso son los tres estados básicos de la materia. Un cambio de estado es el paso de uno de estos estados a otro. Sólido a líquido y de líquido a gas son dos transiciones de estado comunes (y viceversa). Cuando se intercambia calor entre la sustancia y su entorno, pueden ocurrir ciertos cambios.
La fusión es la transformación de un sólido en un líquido, mientras que la fusión es la transformación de un líquido en un sólido. Durante la transición de sólido a líquido, las fases sólida y líquida de la sustancia coexisten en equilibrio térmico. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la cual sus estados sólido y líquido están en equilibrio térmico entre sí. Es una propiedad de la sustancia. También depende de la cantidad de presión. El punto de fusión normal de una sustancia es su punto de fusión a presión atmosférica estándar.
La transición de líquido a vapor (o gas) se conoce como vaporización. Se encuentra que la temperatura permanece constante hasta que la cantidad total de líquido se convierte en vapor. Es decir, durante la transición de líquido a vapor, los estados líquido y vapor de la sustancia coexisten en equilibrio térmico. La temperatura a la que coexisten los estados líquido y vapor de una sustancia se conoce como punto de ebullición.
Calor latente
El calor o la energía absorbida o liberada durante un cambio de fase de una sustancia se conoce como calor latente.
Puede ser de un gas a un líquido o de un líquido a un sólido. La entalpía es un atributo de calor que está relacionado con el calor latente. Sin embargo, un factor crucial para recordar sobre el calor latente es que la temperatura de la sustancia no cambia. En términos del proceso, el calor latente es el esfuerzo requerido para vencer las fuerzas de atracción que mantienen unidas las moléculas y los átomos en una sustancia.
En el punto de ebullición, un líquido cambia de estado. Cuando agrega calor adicional al agua hirviendo, se vaporiza sin aumentar la temperatura. La cantidad de calor requerida durante un cambio de estado está determinada por el calor de transformación y la masa de la sustancia que cambia de estado. Como resultado, si la masa m de una sustancia cambia de un estado a otro, la cantidad de calor requerida viene dada por
Q = metro L
o
L =Q/m
L significa calor latente, que es una propiedad de la sustancia. J kg –1 es su unidad SI. El valor de L también se ve afectado por la presión. Su valor se expresa a menudo en términos de presión atmosférica ordinaria. El calor latente de fusión (L f ) se usa para describir un cambio de estado sólido-líquido, mientras que el calor latente de vaporización (L v ) se usa para describir un cambio de estado líquido-gas.
Ejemplos de problemas
Problema 1: Una muestra de 88,3 g de metal a 95,24 C se agrega a 35,10 g de agua que inicialmente está a 17,27 °C. La temperatura final tanto del agua como del metal es de 29,20 °C. El calor específico del agua es 4,184 J/(g°C). Calcular el calor específico del metal.
Solución:
Dado,
La masa del metal es 88,3 g.
La temperatura inicial del metal es de 95,24 °C.
Masa de agua: 35,10 g.
La temperatura inicial del agua es de 17,27 °C.
La temperatura final del agua y el metal es de 29,20 °C.
El calor específico del agua es 4,184 J/(g°C).
Por lo tanto, la expresión donde la energía del metal más caliente se transfiere al agua más fría es
−m o C o ΔT o =m w C w ΔT w
Dónde
m o = masa de un objeto metálico
ΔT o = cambio de temperatura del objeto metálico
C o = capacidad calorífica específica del objeto metálico
m w = masa de agua
ΔT w = cambio de temperatura del agua
C w = capacidad calorífica específica del agua
Reorganizar la expresión anterior,
C o =(m w C w ΔT w )/(m o ΔT o )
Sustituya los valores en la expresión anterior,
CO =[35.10 4.184( 29.20−17.27 )]/[88.3(29.20-95.24)]
Co = 0,301 J/g ° C
Problema 2: Defina capacidad calorífica y escriba su expresión.
Solución:
El cambio de temperatura de una sustancia, cuando una determinada cantidad de calor es absorbida o rechazada por ella, se caracteriza por una cantidad denominada capacidad calorífica de esa sustancia. Se denota por S.
Se expresa como,
S= ΔQ/ ΔT
donde ΔQ es la cantidad de calor suministrada a la sustancia para cambiar su temperatura de T a T + ΔT
Problema 3: El calor específico del agua es 4,18 J/(g°C). Calcular la capacidad calorífica molar del agua. Exprese su respuesta con tres cifras significativas e incluya las unidades apropiadas.
Solución:
El calor específico del agua es 4,18 J/(g°C).
La expresión para convertir gramo en mol es
4,18 J/gC x (18,0 g/mol) = 75,24 J/mol C
Por lo tanto, la capacidad calorífica molar del agua es 75,24 J/mol C
Problema 4: Defina capacidad calorífica específica y escriba su expresión.
Solución:
Cuando se aplica la misma cantidad de calor a la misma masa de diferentes sustancias, los cambios de temperatura resultantes no son los mismos. Indica que cada sustancia tiene un valor distinto para la cantidad de calor absorbido o rechazado para cambiar la temperatura de su unidad de masa en una unidad. Esta cantidad se conoce como la capacidad calorífica específica de la sustancia. Se denota por s.
Si ΔQ representa la cantidad de calor absorbido o rechazado por una sustancia de masa m cuando experimenta un cambio de temperatura ΔT, entonces la capacidad calorífica específica de esa sustancia viene dada por
s = S/m = (1/m)(ΔQ/ ΔT)
La unidad SI para la capacidad calorífica específica es Jkg –1 K –1 .
Problema 5: Defina la capacidad calorífica específica molar y escriba su expresión.
Solución:
Si la cantidad de sustancia se proporciona en moles en lugar de la masa m en kilogramos, la capacidad calorífica por mol μ de una sustancia se puede calcular de la siguiente manera:
C = S/μ = (1/μ)(ΔQ/ΔT)
donde C denota la capacidad calorífica específica molar de la sustancia. También depende de la naturaleza y temperatura de la sustancia y su unidad SI es Jmol –1 K –1 .
La capacidad calorífica específica molar a presión fija, denotada por Cp , es la capacidad calorífica específica molar a presión fija cuando el gas se mantiene a presión fija durante la transferencia de calor. Si el volumen del gas se mantiene fijo durante la transferencia de calor, la capacidad calorífica específica molar correspondiente se conoce como capacidad calorífica específica molar a volumen constante y se indica mediante C v .
Problema 6: una muestra de 30,5 g de una aleación a 93,0 °C se coloca en 50,0 g de agua a 22,0 °C en una taza de café aislada con una capacidad calorífica de 9,2 J/K. Si la temperatura final del sistema es de 31,1 °C, ¿cuál es la capacidad calorífica específica de la aleación?
Solución:
Calor absorbido = calor perdido
entonces la capacidad calorífica específica de esa sustancia viene dada por
s = (1/m)(ΔQ/ ΔT)
Reorganizar la expresión anterior,
ΔQ=smΔT
ΔQ aleación = ΔQ agua + ΔQ taza
La temperatura del agua es igual a la temperatura de la taza = 22.0 °C.
La temperatura de la aleación es de 93,0 °C.
La temperatura final es de 31,1 °C.
30,5×(93,0 – 31,1)s = 9,2×(31,1-22,0) + 50,0×4,2×(31,1-22,0)
1887.95s = 1994.72
s = 1,057 J/gK
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por anoopraj758 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA