Calor y energía: temperatura absoluta, calor específico y calor de cambio de estado

1.Temperatura absoluta

La elección del punto cero en las escalas Celsius y Fahrenheit es arbitraria, en la primera se optó por el punto de congelación del agua y en la segunda por el equilibrio entre una mezcla de agua, hielo y cloruro amónico.

A modo de repaso recordemos su formula de conversión:

T subíndice F igual fracción 9 entre 5 por T subíndice C más 32

Para establecer una correspondencia real entre temperatura y energía media de agitación de las partículas hay que establecer el cero de la temperatura en el cero de energía media. Este es el cero absoluto y cuando empezamos a contar desde ese punto obtenemos una escala absoluta. 

La forma más sencilla de buscar este punto es a partir del coeficiente de dilatación de los gases. El coeficiente de dilatación cúbica de los gases ideales como vimos en la lección anterior es gamma igual fracción 1 entre 273 C superíndice anterior o superíndice menos 1 fin superíndice, por lo tanto, si un gas ocupa cierto volumen a 0º C, su volumen será cero al alcanzar la temperatura un valor de -273º C, siendo esta el límite inferior de la temperatura o también llamado cero absoluto.

Hay una escala absoluta correspondiente a la Celsius; se trata de la escala Kelvin, cuya unidad (K) es la adoptada por el S.I.

T subíndice k igual T subíndice C más 273

Existe también una escala absoluta correspondiente a la escala Fahrenheit, es la escala Rankine:


T subíndice R igual fracción 9 entre 5 por T subíndice C más 491 coma 67

 

2. Capacidad calorífica y calor específico

Llamamos capacidad calorífica de un cuerpo a la cantidad de calor que hay que darle para que su temperatura ascienda 1º C, se mide en cal/ºC.

La capacidad depende tanto de la sustancia de que se trate, como de su masa. Por ello definimos el calor específico de un cuerpo como la capacidad calorífica de 1g de ese cuerpo, se mide en cal/gºC.

El calor específico depende de la naturaleza del cuerpo Llamando "c" a esta nueva magnitud, el calor Q que absorbe una masa m de un cuerpo cuando la temperatura pasa de un valor inicial T subíndice 0 a otro valor T subíndice f cumple esta condición:

Q igual m por c por paréntesis izquierdo T subíndice f menos T subíndice o paréntesis derecho

 

2.1 Temperatura de equilibrio

Como vimos en la lección anterior los cuerpos con distinta energía térmica tienden a equilibrar su temperatura.

La temperatura de equilibrio se verá afectada por el calor específico, la masa y la temperatura de las sustancias que intervienen.

Queda expresado en la siguiente igualdad:


m subíndice 1 por c subíndice 1 por paréntesis izquierdo T subíndice e menos T subíndice 1 paréntesis derecho igual menos m subíndice 2 por c subíndice 2 por paréntesis izquierdo T subíndice e menos T subíndice 2 paréntesis derecho

siendo T subíndice e la temperatura de equilibrio.

 

3. Calor latente

Cuando un cuerpo se calienta hasta alcanzar su punto de fusión o ebullición, el calor que reciba a partir de ese punto se emplea en cambiar de estado, no en aumentar su temperatura.

  • Calor latente de fusión es el calor que hay que dar a cada unidad de masa de una sustancia para que se funda, una vez alcanzada la temperatura adecuada.
  • Calor latente de ebullición es el calor que hay dar a cada unidad de masa de una sustancia para que se evapore, una vez alcanzada la temperatura de ebullición.

Generalmente se miden en calorías por gramo (cal/g), aunque la unidad del SI sea J/kg.

 

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Ejercicio:

Un cuerpo de 700g de masa tiene un calor específico de 0,9 cal/gºC y una temperatura inicial de 74ºC.
 

Empleando un horno eléctrico logramos que en 5 minutos alcance los 135ºC y empiece la ebullición que dura 9 minutos.

¿Cual es el calor latente de ebullición de ese cuerpo.?

 

Solución:

Para elevar la temperatura hasta el punto de ebullición ha hecho falta un calor de:

Q igual m por c por paréntesis izquierdo T subíndice f menos T subíndice o paréntesis derecho

Q = 700·0,9·(135 -74) = 38430 cal

 

Así sabemos que el horno suministra cada minuto:

38430/5= 7686 cal/min

 

Como la ebullición ha durado 9 minutos, el calor que se habrá empleado en ese proceso es:

Q = 7686·—9 = 69174 cal

 

El calor latente de ebullición (por cada gramo) será:

 

Cebullición= 69174/700 = 98,8 cal/g

 

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