CALOR II

Cambio de fase

Cuando una sustancia absorbe una cantidad de calor, la velocidad de sus moléculas aumentay su temperatura se eleva. Dependiendo del calor especifico de la sustancia, la elevaciónde temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado einversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un sólido sefunde o cuando un líquido hierve ocurre algo curioso. Durante el cambio de fase latemperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta quetodo el líquido hierve.El calor latente de fusión Lf de una sustancia, es el calor por unidad de masa necesariopara cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su temperatura de fusión.

El calor de vaporización Lv de una sustancia, es el calor por unidad de masa necesariopara cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.

En el gráfico se muestra el caso del agua, en condiciones normales. Se parte con una masade hielo que está una temperatura inferior a 0 ºC, este hielo se calienta hasta transformarloen vapor de agua, pasando por su fase líquida:

Nota: Los procesos adiabáticos son aquellos donde no fluye calor hacia fuera o hacia dentrodel sistema. Por último se debe decir que los procesos Isotérmicos, isobáricos e isocóricosson aquellos donde permanece constante la temperatura, la presión y el volumenrespectivamente.

Lf =Qm

Lv =Qm

Q = m · Lf

Q = m · Lv

T(ºC)

100

0

540 cal/g

80 cal/g

Agua y vaporSólo agua Sólo vapor

Hielo yaguaHielo

Q (cal)

C U R S O: FÍSICA MENCIÓN

MATERIAL: FM-21

2

Transmisión del calor

Conducción

Suponga que una persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y que elotro extremo se pone en contacto con una llama. Los átomos o moléculas del extremocalentado por la llama, adquieren una mayor energía de agitación. Parte de esta energíase transfiere a las partículas de la región más próximas a dicho extremo, y entonces latemperatura de esta región también aumenta. Este proceso continúa a lo largo de la barra,y después de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibirá una elevaciónde temperatura en ese lugar.

Por tanto, hubo una transmisión de calor a lo largo de la barra, que continuará mientrasexista una diferencia de temperatura entre ambos extremos. Observemos que estatransmisión se debe a la agitación de los átomos de la barra, transferida sucesivamente deuno a otro átomo, sin que estas partículas sufran ninguna traslación en el interior delcuerpo. Este proceso de transmisión del calor se denomina conducción térmica.La mayor parte del calor que se transfiere a través de los cuerpos sólidos, es transmitidade un punto a otro por conducción.Dependiendo de la constitución atómica de una sustancia, la agitación térmica podrátransmitirse de uno a otro con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia seabuena o mala conductora del calor. Así, por ejemplo, los metales son conductores térmicos,mientras que otras sustancias, como, corcho, porcelana, madera, aire, hielo, lana, papel,etc., son aislantes térmicos, es decir, malos conductores de calor. Esta propiedad estárelacionada con la conductividad térmica (k) de los materiales. La razón de flujo de calorque fluye de un punto a otro a través de un objeto uniforme, en un intervalo de tiempodado, depende del tamaño y forma de los objetos.La ecuación que nos permite obtener esta razón de flujo es la siguiente:

sublimación

fusión vaporación

solidificación condensación

evaporación

ebullición

Absorbe Calor

Cede Calor

fig. 2

Sólido Líquido Gaseoso

Barra de fierro

Llama calórica

Mechero

fig. 3

3

1 2T - TQ k · A ·

t L

Donde A es la sección de corte o área, L es el ancho del objeto, y ∆t es el intervalo detiempo durante el cual fluye una cantidad de calor ∆Q. Se observa que una de las caras estáa una temperatura T1 y la otra a una temperatura T2. El calor fluye de T1 a T2 ya que se estáconsiderando T1 > T2. La conductividad térmica k es propia de cada material, y a mayorvalor de k mejor conductor del calor será el material.

RadiaciónEs el proceso mediante el cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnéticas.La fuente más evidente de energía radiante es nuestro Sol. Ni la conducción ni laconvección pueden intervenir en el proceso de transferencia que hace llegar su energíatérmica a la Tierra. Sin embargo, cuando entra en juego un medio material, latransferencia de calor que se puede atribuir a la radiación generalmente es pequeña, encomparación con la cantidad que se transfiere por conducción y convección.

Convección

Cuando un recipiente con agua es colocado sobre un mechero, la capa de agua del fondorecibe calor por conducción. Por consiguiente, el volumen de esta capa aumenta, y por tantosu densidad disminuye, haciendo que se desplace hacia la parte superior del recipiente paraser reemplazada por agua más fría y más densa, proveniente de tal región superior. Elproceso continúa, con una circulación continua de masas de agua fría hacia abajo,movimientos que se denominan corrientes de convección. Así el calor que se transmitepor conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masadel líquido, mediante el movimiento de traslación del propio líquido.La mayor parte del calor que se transmite a través de los fluidos y gases es por conveccióntérmica.

mechero

llama

fig. 5

fig. 4

Sol Tierra

T1

T2

LA

4

EJEMPLOS

1. Se tiene una masa de agua en estado sólido a -10 ºC y se le aplica calor a razónconstante hasta que comienza a hervir a los 100 ºC. El gráfico que mejor representa larelación entre la energía entregada a esta masa y la temperatura que adquiere, es

2. Se tiene 1 g de hielo a 0 ºC, ¿a qué temperatura y en qué estado quedará si se leentregan 80 cal?

Datos:LF = 80 cal/g

A) 1 ºC en estado sólido.B) 0 ºC en estado sólido.C) 1 ºC en estado líquido.D) 0 ºC en estado líquido.E) 80 ºC en estado líquido.

3. Una sustancia pasa directamente desde que se encuentra en estado de vapor a suestado sólido, a esta transformación se la denomina

A) fusión.B) solidificación.C) condensación.D) sublimación.E) vaporización.

fig. 6

Q(cal)

T(ºC)

-10

0

100

Q(cal)

T(ºC)

-10

0

100

Q(cal)

T(ºC)

-10

0

100

Q(cal)

T(ºC)

-10

0

100

Q(cal)

T(ºC)

-10

0

100

B)A) C)

D) E)

5

PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

Considere presión normal en los ejercicios, a menos que se indique otra cosa.

1. Se le agrega calor a razón constante, a una masa de 40 g de hielo a -10 °C, hasta quese funde totalmente. Por lo tanto la energía entregada fue

(Datos: Lf = 80 cal/g; LV = 540 cal/g; cagua = 1 cal/g·ºC; chielo = 0,5 cal/g·ºC)

A) 200 calB) 3.000 calC) 3.200 calD) 3.400 calE) 3.600 cal

2. Si a tres gramos de vapor de agua que está a 100 ºC se le extraen 1620 calorías, sutemperatura final será

Datos:LFusión = 80 cal/gLVaporización = 540 cal/g

A) 77 °CB) 87 °CC) 97 ºCD) 100 ºCE) 103 °C

3. Se tiene agua en un envase que se encuentra al interior de un laboratorio. Un mes mástarde, la cantidad de agua es menor. Respecto al agua que falta se afirma que

I) si pasó al estado de vapor es porque necesariamente la temperatura alinterior del laboratorio era tan elevada durante el día que el agua hirvió.

II) si el agua tenía una temperatura menor a 10 °C y la del laboratorio nuncafue inferior a 12 °, entonces no pudo evaporarse.

III) si alguien calentó el agua y el laboratorio se ubica a 3.000 m de altura,entonces al superar los 100 °C, el agua comenzó a hervir y esto pudodisminuir la cantidad del líquido.

Es (son) incorrecta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo I y II.D) sólo II y III.E) I, II y III.

6

4. La estrella de la cual recibe calor el planeta Tierra es el Sol, se dice que la Tierra escalentada principalmente por ondas

A) de rayos gamma.B) de rayos X.C) de luz visible.D) de luz ultravioleta.E) de luz infrarroja.

5. La situación que se representa en la figura 7 adjunta puede mantenerse así, porejemplo en un lago cubierto de hielo, porque

A) el calor específico del hielo es mayor que el del agua.B) el calor específico del hielo es despreciable comparado con el del agua.C) la capacidad térmica del hielo es muy grande.D) el hielo no es un buen conductor del calor.E) la situación mostrada no puede ocurrir.

6. Una persona anda descalza en el interior de su casa donde las paredes, el piso y el aireestán en equilibrio térmico. La persona siente el piso de cerámica más frío que el demadera debido a

A) efectos psicológicos.B) diferencias en las propiedades de conducción entre la cerámica y la madera.C) la diferencia de temperatura entre la cerámica y la madera.D) la diferencia entre los calores específicos entre la cerámica y la madera.E) diferencias en las propiedades de radiación entre la cerámica y la madera.

7. En un día de verano una persona después de caminar a pleno Sol entra a unahabitación donde la luz del Sol no llega debido a la ausencia de ventanas. La personaentra y se sienta en el piso, después de un rato comienza a sentir frío. Respecto a estasituación es correcto afirmar que la persona entregó calor a la habitación

A) sólo por conducciónB) sólo por convecciónC) sólo por radiación y conducción.D) sólo por conducción y convección.E) por radiación, conducción y convección.

fig. 7

hielo

aire a -10 °C

agua a 4 °C

7

8. Al colocar un cubo pequeño sobre un cubo grande, y dejarlos así en un envasetérmicamente aislado, ocurrirá que si los cubos inicialmente estaban a distintatemperatura, entonces

I) hay transferencia de calor desde el cubo más grande al más pequeño.II) después de un tiempo los cuerpos se encuentran a la misma temperatura

III) después de un tiempo los cuerpos tendrán la misma cantidad de energíainterna.

Es (son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo III.D) sólo I y II.E) sólo I y III

9. El calor de vaporización del Yodo a una temperatura T0 ºC y a una presión de 1 atm esde L0 cal/g. Con este dato se infiere que a esta presión

A) la energía para pasar al estado de vapor, un gramo de yodo a T0 °C, es L0 cal.B) al evaporar un gramo de yodo a T0 ºC se liberan L0 cal.C) la energía de un gramo de yodo líquido a T0 °C es L0 cal.D) para condensar un gramo de yodo a T0 °C, el yodo debe absorber L0 cal.E) la energía de un gramo de vapor de yodo a T0 °C, es L0 cal.

10.A continuación se presentan distintas situaciones que se relacionan con la forma depropagarse el calor.

I) Al colocar el extremo de un cuchillo de metal sobre una llama, el calor hacia elresto del cuchillo se propaga por conducción.

II) Al colocar las manos a un costado y rodeando la llama de una vela las manos secalientan por convección.

III) en el interior de una tetera, puesta sobre uno de los quemadores de la cocina, elagua se calienta por convección.

Es (son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo III.D) sólo I y II.E) sólo I y III

fig. 8

8

11.Se desea saber cuánta energía se pierde a través de una ventana de 1,5 m x 2,0 m y 3mm de espesor, los datos que se tienen son que la temperatura dentro de la casa es18 ºC y fuera de la casa es 16 ºC, se sabe además que la conductividad del vidrio de laventana es 0,8 J/s · m · ºC, entonces con la información dada es correcto que lapérdida de energía, en cada segundo, es

A) 1600 JB) 600 JC) 160 JD) 6 JE) 2 J

12.Un trozo de hielo, de 5 gramos, se calienta desde los -20 ºC hasta los 120 ºC, como seobserva en la figura 9, luego la alternativa que muestra una aseveración correcta es(Calor latente de fusión del hielo 80 cal/g y de vaporización del agua 540 cal/g)

A) sólo en D se absorben en total 540 calorías.B) en A se absorbe más energía que en B.C) al terminar el proceso en B habrá agua a más de 0 ºC.D) en total en A, B y C se absorben 8.000 calorías.E) en el proceso D la sustancia absorbe más energía que en el proceso B.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1 A 2 D 3 DDMDOFM-21

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Q(cal)

T(ºC)

ED

CB

A0

120

-20

100

fig. 9