Calorimetría y estudio del calor en física

Ahora nos enfocaremos en estudiar el tema de calorimetría en física, básicamente desarrollaremos los conceptos de calorimetría, calor, equilibrio térmico, transferencia de calor, cambios de fase y además de los conceptos de calor específico, capacidad calorífica y mucho más; así que ponte cómodo y vamos por ello.

Qué es la calorimetría

La calorimetría es la rama de la física que se encarga del estudio y medición de calor, es decir analiza los fenómenos que implican intercambio de calor que afectan a materiales, ya sea por cambios de fase producidos por reacciones químicas, cambios físicos, de temperatura, etc.

Calor

El calor es una forma de energía que poseen los cuerpos, se manifiesta mediante un aumento de temperatura y se transfiere de cuerpos con mayor temperatura hacia cuerpos con menor temperatura, tratando de alcanzar el equilibrio térmico.

Equilibrio térmico

Se considera como equilibrio térmico a aquel estado en que dos o más cuerpos en contacto alcanzan una misma temperatura, de tal manera que la el calor queda homogéneamente distribuida, hasta que no haya transferencia de calor entre ellas, dicha temperatura se conoce como temperatura de equilibrio.

Imagina lo que sucede cuando mezclas agua caliente con agua fría en un recipiente de paredes adiabáticas, pues obviamente al mezclar completamente el resultado será agua tibia ¿Verdad? ello sucede porque el agua caliente transfiere calor al agua fría hasta llegar al equilibrio térmico.

Se dice que un sistema es adiabático cuando es térmicamente aislante, en nuestro ejemplo mencionamos un recipiente, eso significa el recipiente no deja salir ni entrar calor.

Transferencia de calor

La transferencia de calor es el proceso por el cual un cuerpo transfiere calor a otro, como ya mencionamos, el calor se transfiere de los cuerpos calientes hacia los fríos. Este proceso puede ocurrir de varias maneras, es decir el calor se puede transferir por: conducción, convección y radiación; ahora veremos en qué consiste cada una de estas formas. Pero antes respondamos una pregunta curiosa.

¿El frio entra o sale?

Esta es la famosa pregunta que se plantean cuando se estudia calorimetría o termodinámica; es bastante curioso porque toda la vida has escuchado de papá, mamá u otras personas, de que el frio entra, que cierres la puerta o las ventanas porque el frio entra, de esa manera asumimos que el frio entra, y ya te habrás dado cuenta que está mal ¿Verdad? Pues según la teoría que desarrollamos hasta ahora, es el calor el que se transfiere, no el frio.

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Entonces ¿Qué ocurre, el frio sale o entra? Pues ninguna de las dos, ni sale, ni entra, lo que realmente ocurre, es que el calor sale, el calor se transfiere de cuerpos calientes a fríos y no viceversa, lo que ocurre cuando abres la puerta o la ventana en época de frio, es que el calor se sale para alcanzar el equilibrio térmico con el exterior, de tal manera que la temperatura disminuye, dando una falsa sensación de que el frio entra.

Bien ahora ya sabes, si un día cierras la ventana para evitar el frio, lo que está tratando de hacer es que el calor de tu habitación o lugar se mantenga. Dicho esto, ahora pasemos a la explicación de las formas de transferencia de calor.

Conducción térmica

La conducción térmica es un proceso en el cual la energía se transfiere de un cuerpo a otro aprovechando la propiedad de conductividad térmica que poseen los materiales. Un claro ejemplo de este proceso se puede observar cuando se calienta el extremo de una varilla metálica directamente en el fuego, conforme pasa el tiempo, se nota que el otro extremo también incrementa su temperatura, esto debido a que el calor es conducido por medio del metal, gracias a su conductividad térmica.

Podemos decir que la conducción térmica ocurre por contacto directo, en el que solo hay intercambio de calor, pero no existe intercambio de masa.

Convección

La transferencia de calor por convección, ocurre cuando el calor es transferido mediante un fluido generalmente, es decir, en este caso ocurre además una transferencia de masa. Un claro ejemplo de transferencia de calor por convección es cuando prende una vela, evidentemente el calor se genera por la combustión de la vela, notarás que el aire a su alrededor empieza a calentarse, el aire caliente empieza a subir pues su densidad es menor que la del aire frio, de esta manera el calor se transfiere mediante el flujo de aire.

Radiación

El calor también se transmite mediante la radiación, en este caso el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas. Un ejemplo claro sobre este tipo de transferencia de calor, es la radiación que emite el sol a la tierra.

Unidades de calor

La unidad de medida del calor es el Joule (J), pues se trata de una forma de energía. Bien, pero en la práctica se suele emplear como unidad la caloría (cal) y aún más su múltiplo, la kilocaloría (kcal).

Para fines prácticos, se puede convertir calorías a Joule y viceversa, simplemente empleamos su equivalente: 1 caloría= 4,186Joule

Calor específico

El calor específico es una magnitud que poseen todos los materiales, es decir cada sustancia tienen un valor de calor especifico, dicho valor indica la cantidad de calor que debe ganar o perder una unidad de masa para que su temperatura cambie en una unidad.

Capacidad calorífica

Esta magnitud no es propia de los materiales, pues depende de la cantidad de material, es decir de su masa total; la capacidad calorífica nos indica la cantidad de calor que la masa total debe ganar o perder para que su temperatura total aumente o disminuya en una unidad respectivamente.

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Capacidad calorífica de un cuerpo

Conservación de la energía

La ley de conservación de la energía, establece que la energía total en un sistema físico cerrado se mantiene constante en el tiempo, es decir la energía en un sistema aislado, no se aumenta ni disminuye, aunque si se puede transformar.

En calorimetría, esto significa que, cuando dos o más cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas y están aislados en un sistema cerrado, estos intercambian calor hasta conseguir el equilibrio térmico, en este proceso, los cuerpos con menor temperatura ganan calor y los de mayor temperatura ceden calor.

El calor total ganado por los cuerpos fríos debe ser igual al calor total perdido por los cuerpos calientes. Pues la energía total del sistema cerrado se mantiene constante.

Calorímetro de mezclas

El calorímetro de mezclas es un recipiente térmicamente aislado, es decir, no deja entrar ni salir calor, dentro de ella el calor se mantiene o al menos minimiza el intercambio de calor con su exterior.

Equivalente en agua de un calorímetro

Como su nombre indica, el equivalente en agua de un calorímetro es la cantidad de agua que tiene la capacidad de ganar o perder igual cantidad de calor que un calorímetro, al hacer variar su temperatura en la misma medida.

El equivalente en agua se puede calcular multiplicando la masa del calorímetro por su calor específico y dividiendo dicho resultado entre el calor especifico del agua.

Cambio de fase

Un cambio de fase es un proceso provocado por un cambio en el ordenamiento molecular de un material en su interior, y se manifiesta cuando dicho material cambia su estado de solido a líquido, de líquido a vapor y viceversa.

Cambio de fase

Un ejemplo típico de este fenómeno se presenta en el agua, de acuerdo a la temperatura a la que se somete, este puede estar en estado líquido, sólido o vapor.

La temperatura necesaria para producir un cambio de fase sobre un material, depende de la presión que dicho material soporta. Por ejemplo, a menor presión el agua hierve a menor temperatura y a mayor presión, hierve a mayor temperatura.

  • Fusión.- cambio de solido a líquido.
  • Solidificación.- cambio de estado líquido a sólido.
  • Vaporización.- cambio de líquido a sólido.
  • Condensación.- cuando el vapor se transforma en líquido.
  • Sublimación directa.- cambio de solido a vapor.
  • Sublimación inversa.- cambio de vapor a estado sólido.

Calor latente

El calor latente es una magnitud que posee cada material, su valor indica la cantidad de calor que se debe ceder o restar a una unidad de masa de un material determinado, para que se pueda producir un cambio de fase, bajo condiciones adecuadas de presión y temperatura.Esto significa que existe un calor latente de: fusión, solidificación, vaporización y condensación.

Por ejemplo, el calor latente para cambios de fase del agua a cierta presión y temperatura son los siguientes valores.

Calor necesario para una transformación o cambio de fase de cualquier material.

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Diagrama de fases

Es una representación gráfica de la presión vs temperatura a la cual se encuentra un material, en ella podemos representar y observar el comportamiento de un material cuando se somete a cierta temperatura y presión, notaremos cómo el material cambia de fase cuando dichos parámetros cambian.  

Diagrama de fases

Ahora describiremos los puntos y curvas más importantes del diagrama de fases que acabamos de conocer.

Punto triple

El punto triple (A) de un material es aquel en el cual pueden coexistir las tres fases del material a la misma temperatura y presión, es decir, es posible que un material se encuentre en su estado líquido, sólido y vapor a la vez, a una temperatura y presión determinada.

Curva de sublimación

Esta curva (OA) está formada por todos los puntos (P, T) en los que una sustancia coexiste en su estado sólido y vapor, esto sucede a una temperatura y presión determinada y observable en la curva.

Curva de vaporización

La curva (AC) de vaporización está formada por los puntos  (P, T), en los cuales pueden coexistir los estados líquido y vapor de una sustancia o material. Esto significa que a dicha temperatura y presión, el material se encuentra en estado líquido y también gaseoso, lo que puede estar ocurriendo es que el material se esté vaporizando, o en caso contrario se esté condensando.

Curva de fusión

La curva (AB) de fusión se encuentra constituida por el conjunto de puntos (P, T), en los cuales el material puede coexistir en su estado sólido y líquido, es decir a una presión y temperatura determinada, el material puede encontrarse en estado líquido y solido a la vez.

Esto puede ocurrir cuando el material está pasando de líquido a solido en un proceso de solidificación o viceversa, cuando ocurre un fusión.

Tabla de valores de punto triple.

Sustancia To (K) Po (kPa)
Agua 273,16 0,61
Acetileno 192,4 120
Amoníaco 195,40 6,076
Argón 83,81 68,9
Grafito 3900 10100
Dióxido de carbono 216,55 517
Etileno 104,0 0,12
Hidrógeno 13,84 7,04
Hielo seco 216,55 517.29
Metano 90,68 11,7
Neón 24,57 43,2
Nitrógeno 63,18 12,6
Oxígeno 54,36 0,152
Xenón 161,3 81,5

Comportamiento anómalo del agua

Estudiando calorimetría, nos encontramos con un fenómeno que llama bastante la atención y es el comportamiento anómalo del agua, cuando el agua es sometida a una variación de temperatura, ocurre algo curioso y a continuación de la explicación.

  • Cuando se eleva la temperatura del agua de 0°C hasta los 4°C, el agua en lugar se dilatarse, se contrae.
  • Por otro lado, cuando la temperatura del agua se reduce de 4°C hasta 0°C, este se dilata en lugar de contraerse.

Los 4°C que mencionamos, en realidad son 3,98°C, pues a dicha temperatura el agua alcanza su máxima densidad.

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