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Calor y Energía Térmica
El calor es una forma de energía en tránsito que fluye de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. Es importante distinguir entre calor y temperatura:
- Temperatura: Medida de la energía cinética media de las partículas de un sistema
- Calor: Transferencia de energía térmica entre sistemas
Principios Fundamentales
La transferencia de calor se rige por estos principios básicos:
- El calor fluye espontáneamente de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura
- La cantidad de calor transferido depende de la diferencia de temperatura, la masa y las propiedades térmicas
- En un sistema aislado, la energía térmica total se conserva
Unidades de Medida
En el Sistema Internacional, el calor se mide en julios (J), aunque también es común usar calorías:
| Unidad | Equivalencia |
|---|---|
| 1 caloría (cal) | 4.18 J |
| 1 kilocaloría (kcal) | 1000 cal = 4180 J |
Calor Específico
El calor específico es una propiedad característica de cada sustancia que indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado.
Definición y Cálculo
Matemáticamente:
\[c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}\]
O despejando Q:
\[Q = m \cdot c \cdot \Delta T\]
Donde:
- \(c\) = calor específico (J/kg·°C o J/kg·K)
- \(Q\) = calor transferido (J)
- \(m\) = masa del cuerpo (kg)
- \(\Delta T\) = variación de temperatura (°C o K)
Valores de Calor Específico
| Sustancia | Calor Específico (J/kg·°C) |
|---|---|
| Agua | 4180 |
| Aluminio | 900 |
| Hierro | 450 |
| Cobre | 385 |
| Oro | 129 |
Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica es el calor necesario para elevar la temperatura de un cuerpo completo en 1 grado (sin considerar la masa unitaria):
\[C = m \cdot c\]
Donde \(C\) es la capacidad calorífica (J/°C)
Calor Latente
El calor latente es la energía absorbida o liberada por una sustancia durante un cambio de estado, sin que se produzca un cambio en su temperatura.
Tipos de Calor Latente
Calor Latente de Fusión
Energía necesaria para convertir una sustancia del estado sólido al líquido, sin cambio de temperatura.
| Sustancia | Calor Latente (J/kg) |
|---|---|
| Hielo (agua) | 334,000 |
| Plomo | 24,500 |
| Aluminio | 396,000 |
Calor Latente de Vaporización
Energía necesaria para convertir una sustancia del estado líquido al gaseoso, sin cambio de temperatura.
| Sustancia | Calor Latente (J/kg) |
|---|---|
| Agua | 2,260,000 |
| Etanol | 846,000 |
| Nitrógeno | 199,000 |
Calor Latente de Sublimación
Energía necesaria para convertir una sustancia directamente del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido.
Cálculo del Calor Latente
\[Q = m \cdot L\]
Donde:
- \(Q\) = calor absorbido o liberado (J)
- \(m\) = masa de la sustancia (kg)
- \(L\) = calor latente específico para ese cambio de estado (J/kg)
Curva de Calentamiento
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Curva de Calentamiento
La curva de calentamiento muestra la relación entre el calor añadido a una sustancia y su temperatura. Las regiones horizontales representan los cambios de estado, donde la temperatura permanece constante mientras se absorbe el calor latente.
Dilatación Térmica
La dilatación térmica es el aumento de las dimensiones de un cuerpo debido al incremento de su temperatura. Al aumentar la temperatura, las partículas del material vibran con mayor energía y ocupan más espacio.
Tipos de Dilatación
Dilatación Lineal
Afecta principalmente a la longitud de un objeto:
\[\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T\]
Donde:
- \(\Delta L\) = cambio en longitud (m)
- \(\alpha\) = coeficiente de dilatación lineal (°C⁻¹)
- \(L_0\) = longitud inicial (m)
- \(\Delta T\) = cambio de temperatura (°C)
Dilatación Superficial
Aumento en el área de una superficie:
\[\Delta A = \beta \cdot A_0 \cdot \Delta T\]
Donde \(\beta \approx 2\alpha\) (coeficiente de dilatación superficial)
Dilatación Volumétrica
Aumento en el volumen de un cuerpo:
\[\Delta V = \gamma \cdot V_0 \cdot \Delta T\]
Donde \(\gamma \approx 3\alpha\) (coeficiente de dilatación volumétrica)
Aplicaciones Prácticas
- Juntas de dilatación: En puentes y edificios para evitar deformaciones
- Termómetros de mercurio: Funcionan gracias a la dilatación del mercurio
- Termostatos bimetálicos: Utilizan la diferencia en la dilatación de dos metales
- Ajustes de precisión: En metalurgia e ingeniería mecánica
Propiedades especiales del agua:
El agua presenta un comportamiento anómalo: se contrae al calentarse desde 0°C hasta 4°C, y a partir de ahí se dilata normalmente. Esta propiedad es fundamental para la vida acuática en regiones frías, permitiendo que el hielo flote y que los lagos se congelen de arriba hacia abajo.
Transferencia de Calor
El calor puede transferirse entre sistemas a través de tres mecanismos principales:
Conducción
Transferencia de calor por contacto directo entre partículas, sin desplazamiento de materia. Es típica de sólidos, especialmente metales.
Características:- Ocurre en sólidos principalmente
- Las partículas vibran y transfieren energía a las adyacentes
- Rápida en materiales como metales
Convección
Transferencia de calor por movimiento de fluidos (líquidos o gases). Las partículas calientes se desplazan llevando consigo su energía.
Características:- Ocurre en líquidos y gases
- Las corrientes de convección transportan energía
- Responsable de corrientes oceánicas y vientos atmosféricos
Radiación
Transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material. Es el único mecanismo que puede ocurrir en el vacío.
Características:- No requiere medio material
- La luz solar llega a la Tierra por radiación
- Todos los cuerpos emiten radiación térmica
Equilibrio Térmico y Calorimetría
Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, intercambian calor hasta alcanzar una temperatura de equilibrio común.
Principio de Conservación de la Energía
En un sistema aislado, el calor cedido por los cuerpos más calientes es igual al calor absorbido por los cuerpos más fríos:
\[Q_{{\text{cedido}}} = Q_{{\text{absorbido}}}\]
Cálculo de la Temperatura de Equilibrio
Para sistemas simples con dos cuerpos:
\[m_1 \cdot c_1 \cdot (T_1 - T_f) = m_2 \cdot c_2 \cdot (T_f - T_2)\]
Donde \(T_f\) es la temperatura final de equilibrio.
Calorimetría con Cambios de Estado
Cuando hay cambios de estado involucrados, debemos considerar tanto el calor específico como el calor latente:
\[Q_{{\text{total}}} = m \cdot c_{{\text{hielo}}} \cdot (0 - T_{{\text{inicial}}} ) + m \cdot L_{{\text{fusión}}} + m \cdot c_{{\text{agua}}} \cdot (T_{{\text{final}}} - 0)\]
Ejemplo 1: Calentamiento de agua
¿Cuánto calor se necesita para calentar 2 kg de agua de 20°C a 80°C? Solución: \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 2 \text{ kg} \cdot 4180 \text{ J/(kg·°C)} \cdot (80 - 20)°C = 501,600 \text{ J} = 501.6 \text{ kJ}\)
Ejemplo 2: Cambio de estado
¿Cuánto calor se requiere para convertir 0.5 kg de hielo a -10°C en agua a 20°C? Solución (tres etapas):
- Calentar hielo de -10°C a 0°C: \(Q_1 = 0.5 \cdot 2100 \cdot 10 = 10,500 \text{ J}\)
- Fusionar hielo a 0°C: \(Q_2 = 0.5 \cdot 334000 = 167,000 \text{ J}\)
- Calentar agua de 0°C a 20°C: \(Q_3 = 0.5 \cdot 4180 \cdot 20 = 41,800 \text{ J}\)
Ejemplo 3: Mezcla de agua
Se mezclan 300 g de agua a 80°C con 200 g de agua a 20°C. ¿Cuál será la temperatura final? Solución: \(0.3 \cdot (80 - T_f) = 0.2 \cdot (T_f - 20)\) \(24 - 0.3T_f = 0.2T_f - 4\) \(28 = 0.5T_f\) \(T_f = 56°C\)