Resultados de los problemas Guía 2

1. a y b Realizada en clase.
2.  243 cal
3. 58,24 cal
4. 2045,5 g
5. 2418 cal
6. 632,8 ºC
7. 85,9 ºC
8. 22,7 ºC
9. 134 ºC
10. 161,3ºC
11. 80,64ºC

Calorimetría, Ecuación

·       Calorimetría

La calorimetría es la parte de Física dedicada a estudiar la medida de las cantidades de calor que intervienen en distintos fenómenos, calores absorbidos y cedidos en los procesos físicos y químicos.

Según aumente o disminuya la temperatura de un cuerpo, se dice que éste ha recibido o cedido cierta cantidad de calor. La cantidad de calor recibida por un cuerpo puro es proporcional a la masa del mismo en la cual se produce una cierta variación de temperatura.

·       Ecuación de la calorimetría

La experiencia realizada en el laboratorio, pone de manifiesto que la cantidad de calor recibida (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:

- En esta fórmula  Q es el calor que recibió o que entregó el cuerpo. Si  Q te da  (+) el cuerpo recibió calor (se calentó). Si  Q te da  (-) el cuerpo entregó calor (se enfrió). Atención con esta convención de signos porque es importante. La unidad de Q puede ser cal. o Kcal.

- m es la masa del cuerpo en gramos.

- Tf  y Ti   son las temperaturas  final e inicial que tiene el cuerpo. La unidad es  ºC.

- c es el calor específico de la sustancia. Unidad cal/g ºC

Capacidad Calorífica y Calor Específico

• CAPACIDAD CALORÍFICA (C):

Si a un cuerpo A se le proporciona una cantidad de calor igual a 100cal, su temperatura se elevará por ejemplo 20ºC.

Pero si le suministro esa misma cantidad de calor (100cal) a otro cuerpo B, podemos observar un aumento de temperatura diferente, por ejemplo de 10ºC.

Esto quiere decir que al darle la misma cantidad de calor a cuerpos distintos, en general, éstos presentan diferentes variaciones en sus temperaturas.

            Éste comportamiento de los cuerpos se define como la CAPACIDAD CALORÍFICA, o capacidad térmica.

Si un cuerpo recibe una cantidad de calor ∆Q y su temperatura varía en ∆t, la capacidad calorífica (C) de éste cuerpo esta dada por:

UNIDAD:   cal/ºC

Si realizamos los cálculos para el ejemplo dado:

CA= 100cal/ 20ºC = 5 cal/ ºC, quiere decir que se necesitan 5cal por cada grado que se quiera aumentar su temperatura.

CB= 100cal/ 10ºC = 10cal/ ºC, quiere decir que se necesitan 10cal por cada grado que se quiera aumentar su temperatura.

Cuanto mayor sea la capacidad térmica de un cuerpo, mayor será la cantidad de calor que debemos proporcionarle para producir un determinado aumento en su temperatura, y de la misma manera mayor será la cantidad de calor que cederá cuando su temperatura sufra una determinada reducción.

            Como pudimos ver el cuerpo A y B son del mismo material pero poseen diferente masa. Esto implica que tengan capacidades caloríficas distintas. La capacidad calorífica es una propiedad extensiva ya que depende de la cantidad de sustancia.

• CALOR ESPECÍFICO (Ce):

Continuemos con el cuerpo A y cuerpo B del ejercicio anterior. Ambos eran del mismo material, pero tenían masas diferentes (m_A, m_B) como ya sabemos sus capacidades caloríficas (C) serán distintas. Observemos que ocurre al dividir la capacidad calorífica de cada cuerpo entre su masa total:

CA= 5 cal/ ºC      m_A= 10g                                   CB= 10cal/ ºC   m_B= 20g

CA : m_A= 5 cal/ ºC : 10g = 0.5 cal/ g ºC                                   CB : m_B= 10 cal/ ºC: 20g = 0.5 cal/ g ºC

En conclusión para un mismo material, ése cociente no varía. Esto quiere decir que la cantidad de calor que necesito para elevar la temperatura 1ºC a 1g de sustancia no varía.  A éste cociente se lo llama CALOR ESPECÍFICO (c_e) del material. Es una propiedad intensiva porque se refiere siempre a 1g de sustancia.

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia.

UNIDAD:cal/g ºC

•  Como vimos, 1cal es la cantidad de calor que hay que suministrarle a 1g de agua ara que aumente su temperatura 1ºC. Ahora entonces podemos averiguar su Ce: Ce agua =1cal/gºC

El calor específico del agua es mucho mayor que los calores específicos de casi todas las sustancias. Esto significa que al ceder la misma cantidad de calor a iguales masas de agua y alguna otra sustancia, se observa que la masa de agua se calienta mucho menos.

• Como el calor específico es característico de cada material, su valor para cada sustancia se determina con todo cuidado en los laboratorios y los resultados se tabulan.
• Tengamos en cuenta que el Ce de un material puede presentar variaciones, por ejemplo cuando cambia de estado de agregación. En la tabla podemos ver que el agua presenta valores de Ce diferentes cuando se encuentra liquida, sólida (hielo) y en vapor de agua.

Calor y Temperatura

Desde el punto de vista de la física, calentar una cosa significa hacer que sus moléculas se muevan (vibren) más rápido, por lo tanto aumenta su energía. La energía interna es la que posee un cuerpo debido al movimiento y las posiciones de sus partículas. Es una característica de todo el cuerpo, ya que indica la suma de todas las energías cinéticas y potenciales de las partículas. Cuando las partículas se mueven mas rápido, la energía interna del cuerpo es mayor y posee mayor temperatura. En cambio, si las partículas se mueven mas lentamente, su energía interna es menor y posee menor temperatura.

Cuando tocas algo y te quema, lo que estás sintiendo es el golpeteo de las moléculas que chocan contra tu mano. Hay una forma medir la energía interna (agitación) de las moléculas y se llama TEMPERATURA.

La temperatura se mide con los termómetros, en grados Celsius. Recordar escalas temperatura: conversión Celsius a Kelvin: T_°K = 273 + T_°C

         La temperatura de un cuerpo indica la me­dida del estado de agitación de las partículas que lo forman, es decir, mide la velo­cidad que presentan las moléculas.

Si consideramos que cuando aumenta la temperatura de un cuerpo, la energía interna también aumenta. Si este cuerpo se pone en contacto con otro de más baja temperatura, habrá una transferencia de energía del primero al segundo, energía que se denomina CALOR.

El calor se transmite, siempre desde el cuerpo más caliente hacia el más frío; el cuerpo mas caliente disminuye su energía interna, mientras que la energía aumenta en el cuerpo mas frió. El cuerpo mas frío recibe o gana energía; el cuerpo caliente entrega o pierde energía.

En el caso de intercambio por calor, también se debe tener en cuenta el principio de conservación de la energía. Así, la cantidad de calor es igual al cambio de la energía interna de cada uno de los dos cuerpos intervinientes. 

Calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos.

Como ya sabemos que el calor es una forma de energía, es obvio que una cierta cantidad de calor debe medirse en unidades energéticas. Entonces, en el SIMELA, mediremos el calor en JOULES (J). En la práctica actual se usa otra unidad de calor, la cual recibe el nombre de CALORÍA.

1cal es la cantidad de calor que debe transmitirse a 1g de agua para que su temperatura aumente 1ºC.

Modelo Cinético Molecular y Calor

Recordemos la definición de ENERGÍA --> Interna/térmica: las partículas que forman una sustancia están en movimiento constante, es decir tienen energía cinética. La energía cinética total de las partículas que forman un cuerpo se llama energía interna. Esta energía esta relacionada con la temperatura de un cuerpo y, por lo tanto, muchas veces es también llamada energía térmica.

Tratemos de interpretar ésta definición con ayuda del  Modelo cinético Molecular

Los científicos no se preocupan solo por la forma de los cuerpos sino principalmente por su composición. Para esto crearon un modelo que establece ideas fundamentales para explicar cómo está formada la materia, ese conjunto de ideas se conoce con el nombre de MODELO CINÉTICO-MOLECULAR. Se basa en los siguientes postulados:

• Toda la materia esté formada por partículas muy pequeñas, a las que se pueden denominar moléculas.

• Entre las partículas existen fuerzas de atracción y fuerzas de repulsión.

• Todas las partículas tienen movimiento (energía cinética, energía del movimiento).

• La energía cinética de las partículas (movimiento) depende de la temperatura.

Video Cambios de estado del Agua

Trataremos de responder qué ocurre o cómo ocurren cada una de las siguientes situaciones:

Grupo 1

1.       ¿Por qué un pedazo de hielo se derrite al sacarlo del congelador?

2.       ¿Por qué la ropa mojada se seca cuando se pone al sol?

3.       Como se forma el rocío

4.       ¿Por qué se empañan los vidrios de la ventana cuando afuera hace frío?

5.       ¿Por qué cuando se pone la cubetera en el frezzer para hacer hielo se congela primero la parte superior?

Grupo 2

1.       ¿que es mejor? Un mango de madera o uno de metal para agarrar una olla que está en el fuego.

2.       Si entramos descalzos en una habitación, con un pie pisamos  una alfombra y con el otro directamente el piso, la alfombra y el piso están a la misma temperatura, ¿en cual de los dos tendremos mayor sensación de frío? Piensa por qué.

3.       Cuando estamos cerca de un horno prendido sentimos gran cantidad de calor aunque no lo toquemos. Explica porque puede ser.

4.       Si un día de verano ponemos un vaso con agua al lado de la pileta de natación del club, o sea a pleno sol. A las 4 de la tarde ¿cuál estará mas caliente?

5.       Si calentamos una cuchara y un jarrito con agua (ambos tienen la misma masa); ¿Cuál se calentará mas rápido? Piensa por qué. Si los retiramos del fuego ¿Cuál se enfriará más rápido?

Grupo 3

1.       ¿Por qué el helado se derrite en la boca?

2.       ¿Por qué la cera de la vela derretida se solidifica al caer sobre el candelabro?

3.       ¿Por qué el alcohol medicinal se evapora rápidamente?

4.       ¿Porqué los termómetros tienen mercurio en su interior?

5.       ¿Porqué el agua de mar se calienta durante el dia y a la noche sigue calentita, pero las piedras y la arena que están muy calientes de día, a la noche están frías nuevamente? 

Trabajo y Energía

CONCEPTOS

         Si se recurre a un diccionario se pueden encontrar varias definiciones, incluso la que se utiliza en los libros de física: “capacidad de un cuerpo para producir un trabajo”. Pero estas definiciones no aclaran la idea sino que la convierten en algo difícil de entender. Para comprender qué es, se puede pensar dónde hay y qué se puede hacer con ella. El sol, los alimentos, las pilas, la nafta, poseen energía. Si la transmiten a otros cuerpos, producen cambios en ellos. Para que las cosas sucedan se debe transmitir o transformar energía. Se puede decir entonces que la energía es una propiedad o característica de los objetos que le permite transformar, es decir, producir cambios y modificaciones en otros cuerpos, incluso en sí mismos.

 http://www.youtube.com/watch?v=6AFeRagLuC0

UNIDADES

          Una pila tiene menos energía que una batería de auto. Hay cuerpos o sistemas que tienen más o menos energía que otros, o que pueden transmitir mayores o menores cantidades de energía.  Por esto, se pueden determinar distintas cantidades de energía. Para ello es necesario establecer una unidad de medición.

SISTEMA	ENERGÍA
SIMELA	J (Joule)
MKS	cal (caloría; 1 cal = 4,184 J)
CGS	erg (ergio)
Inglés	BTU (unidad térmica británica; 1 Btu = 1055,06 J)
	kwh (kilowatt-hora; 1 kwh = 3,6 x 106 J)
	L x atm (litro-atmósfera; 1 L x atm = 101,325 J)

MANIFESTACIONES DE LA ENERGÍA

La energía se obtiene de varias fuentes, se presenta de muchas maneras y se puede usar para fines muy diversos. Esto hace que existan criterios para clasificarla.

ü     Energía cinética:

Todo cuerpo posee energía debido a su movimiento  se la denomina energía cinética. Esta energía depende, entre otras cosas, de la velocidad del cuerpo. Para un mismo cuerpo a mayor velocidad mayor será su energía cinética. 

   ü Energía potencial:

Se llama energía potencial a la que se almacena en un cuerpo en espera de ser utilizada en algún momento posterior. Se pueden distinguir los siguientes tipos:

-        Elástica: es la energía que pueden almacenar los elásticos y resortes cuando se los comprime o estira; al soltarlos se transformará en energía cinética y se podrá utilizar para algún trabajo. La energía elástica se relaciona con la deformación (estiramiento o compresión) del cuerpo.

-    Gravitatoria: es la energía que adquiere un cuerpo por su posición o altura del suelo; por ejemplo: para levantar un libro hasta el estante mas bajo de una biblioteca, se necesita menos energía que para levantarlo hasta el estante más alto.  Esto se debe a que la energía que almacena estando más alto es mayor que si está mas bajo.

-     Química: los alimentos, los combustibles, las pilas tienen energía de posición, a escala microscópica; cuando se realiza una transformación química en el cuerpo, esta energía se hace disponible.

-       Eléctrica: es la energía que se transmite a través de la corriente eléctrica. Esta se debe al movimiento de las cargas eléctricas.

Otras formas de energía:

    -  Nuclear: proviene de las transformaciones producidas en el núcleo de los átomos. Algunos núcleos atómicos sufren transformaciones espontáneas en las que emiten grandes cantidades de energía. Muchas de estas transformaciones son provocadas para utilizar la energía liberada.

   -  Interna/térmica: las partículas que forman una sustancia están en movimiento constante, es decir tienen energía cinética. La energía cinética total de las partículas que forman un cuerpo se llama energía interna. Esta energía esta relacionada con la temperatura de un cuerpo y, por lo tanto, muchas veces es también llamada energía térmica.

                               http://www.youtube.com/watch?v=LfTmViNJnAU

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
        El estudio de la energía permitió comprobar que la cantidad de energía al comienzo de un proceso es igual a la cantidad total al final, siempre que el sistema esté cerrado. La energía se transforma sin pérdida ni ganancia neta, se conserva.

Esto significa que la cantidad total de energía es siempre la misma. Puede cambiar de forma o de cuerpos pero el balance total es constante.

Cuando los cientificos encuentran una  transformación en la que el resultado de la cantidad total de energia es menor que la inicial, buscan en que otro cuerpo pueden contrarse. De la misma manera, si hay un exceso de energía al final es seguro que en ese proceso intervino algun cuerpo que no se tuvo en cuenta pero entregó parte de su energia, porque se sabe que es imposible que la energía aumente o disminuya.

         La verdadera utilidad de la energía que posee un cuerpo es que puede producir cambios en otro cuerpo o en si mismo. Y para ello es necesario que se transforme o se transfiera.  Para que las cosas sucedan, la energia debe transformarse de un tipo a otro, o transferirse de un cuerpo a otro.

-          la energia se transforma cuando cambia de una forma de manifestarse a otra. 

-          La energía se transfiere cuando pasa de un cuerpo o sistema a otro. Ésta es una de la propiedades mas importantes de la energía ya que permite modificar a otros cuerpos. 

                      http://www.youtube.com/watch?v=ObZDJ4V3nyU