¿Cómo calculamos el calor?

1. Calorímetro

El calorímetro es un instrumento de laboratorio que permite cuantificar la cantidad de calor liberada o absorbida por un sistema en un determinado proceso.

Se utiliza para estudiar la relación entre el calor suministrado a un sistema y su variación de temperatura, o el calor de un proceso y su variación de temperatura.

Figuras 1 y 2. Imagen del interior y exterior de un calorímetro utilizado en los liceos.

El calorímetro está formado por:

•  Un recipiente con tapa construido de material aislante, por ejemplo espumaplast.
  
•  Una fuente térmica que suministre energía; generalmente se utiliza un resistor conectado a un generador de corriente eléctrica, cuando la corriente eléctrica pasa por el resistor, éste transfiere energía por calor al sistema.
  
•  Un termómetro para medir las temperaturas del líquido (generalmente agua)  o del sistema contenido en el recipiente.

Las siguientes imágenes muestran un corte longitudinal de dos calorímetros (con y sin resistor) de uso común en un laboratorio, en ellas se muestran sus partes fundamentales:

Figura 3. Corte longitudinal de calorímetro con resistor.                                                               Figura  4. Corte longitudinal de calorímetro sin resistor.

2. Relación entre calor y variación de temperatura

A partir de datos experimentales se puede concluir que el calor es directamente proporcional a la variación de temperatura. 

La variación de temperatura, se determina haciendo la temperatura final menos la temperatura temperatura inicial (Δt = t_final - t_inicial).

PODEMOS REPRESENTAR DICHA RELACIÓN CON LA CONSTRUCCIÓN DE LA SIGUIENTE GRÁFICA:  

Figura 5 . Gráfico de Calor en función de la variación de temperatura. 

3. Relación entre calor y masa

A partir de datos experimentales se  puede concluir que el calor es directamente proporcional a la masa. 

PODEMOS REPRESENTAR DICHA RELACIÓN CON LA CONSTRUCCIÓN DE LA SIGUIENTE GRÁFICA:  

Figura 6. Gráfico de Calor en función de la masa.

4. Calor específico

A partir de los puntos trabajados en los capítulos anteriores, sabemos que: Q α Δt  y también lo es a la masa, por lo tanto el cociente entre el calor y  (m . ΔT) tiene un valor constante.

El valor constante que se obtiene al hacer el cociente Q/(m . ΔT ), es diferente para cada sustancia o material, y es una propiedad intensiva característica denominada Calor Específico. La notación que se utiliza para denominar al Calor Específico es Ce.

El calor específico de una sustancia o material, cuya notación es "Ce", es la cantidad de energía que hay que suministrar a 1 gramo de la misma para que su temperatura aumente 1 °C.

Las unidades más utilizadas del calor específico son: J/g°C  o cal/g°C

5. Tabla de calores específicos

6. ¿Cómo se determina la transferencia de energía por calor?

Se puede determinar el intercambio de energía por calor que experimenta un cuerpo sabiendo su temperatura inicial y final, su masa y el calor específico del material que forma el cuerpo. El calor se calcula con la siguiente ecuación: 

Siendo:   Q →  calor absorbido o liberado por el cuerpo

                m → masa del cuerpo

                Ce → calor específico (valor característico para cada sustancia o material)

                ΔT = Tf - Ti → variación de temperatura (temperatura final menos temperatura inicial)

Para tener en cuenta: 

• si el sistema absorbe energía, la temperatura del cuerpo aumenta, es decir la temperatura final es mayor que la inicial, por lo tanto la ΔT es positiva y el Q es positivo: ΔT > 0 → Q > 0.
  
• si el sistema libera energía, la temperatura del cuerpo disminuye, es decir la temperatura final es menor que la inicial, por lo tanto Δt es negativa y el Q es negativo. ΔT < 0 → Q < 0.
  

Usando la misma ecuación pero operando matemáticamente se pueden determinar las magnitudes masa, calor específico o variación de temperatura, según se desee y dependiendo de los datos experimentales que se tengan.

El siguiente esquema te ayudará a calcular la magnitud que corresponda según los datos, también se aclara la unidad de cada una:

La tabla a continuación contiene la misma información del esquema en otro formato:

7. Ejemplos de resolución de ejercicios

Ejemplo 1:

Determinar el calor que absorbe una moneda de cobre (Ce = 0,385 J/g.°C), de masa 3,25 g, si su temperatura se eleva desde 5,0 °C hasta 30,0 °C.

Resolución: 

• Como nos pide que determinemos el Q, usaremos la ecuación: Q = m . Ce . ΔT,  y sabemos que ΔT= Tf - Ti
  
• Identificamos los datos que nos da la letra:
  

Ce = 0,385 J/g.°C

m = 3,25 g

Ti = 5,0 °C

Tf = 30,0 °C

• Sustituimos los valores en la ecuación: Q = 3,25 g . 0,385 J/g.°C . (30,0 °C - 5,0 °C) = 31,3 J
  
• Luego de realizar la operación el valor del calor absorbido por la moneda es de 31,3 J, este valor es positivo porque la moneda aumentó su temperatura.

Ejemplo 2: 

Se le suministran 30,00 kcal a una cierta masa de agua, su temperatura aumenta de 5,00 °C a 30,00 °C. Determinar el valor de la masa  de agua usada en el experimento.

Resolución:

• Como nos pide que determinemos la masa, usaremos la ecuación: m = Q/Ce . ΔT
  
• Identificamos los datos que nos da la letra del ejercicio:
  

Q = 30 kcal, el valor que está en kcal lo tenemos que pasar a cal, por lo tanto Q = 30.000 cal

Ti = 5,0 °C

Tf = 30,0 °C

• El valor de Ce del agua lo sacamos de la tabla de Calores Específicos vista anteriormente: Ce = 1,00 cal/g . °C
  
• Sustituimos los valores en la ecuación: m = 30.000 cal / [1,000cal/g . °C . (30,00 °C - 5,00 °C)] = 1.200 g
• Luego de realizar la operación, determinamos que la masa de agua usada fue de 1.200 g o 1,2 kg.

De igual forma se procede si se pide cualquiera de las otras magnitudes.

8. Créditos

Bibliografía consultada:

• Segurola, B; Saravia, G; Szwarcfiter, M; Amoedo, A. y Uzal, C. (2010). Ciencias Físicas 2. Montevideo, Uruguay: Contexto.
• Ferreira, D; Menéndez, M. (2012). Ciencias Físicas 2º. Uruguay: Textos del Sur.
• Franco, R; López Arriazu, F.; Serafini, G et al (2008). Física y química. Intercambios de energía. Estructura y transformación de la materia. Argentina: Santillana.
• Hewitt, P. (2007). Física Conceptual. México: Addison Wesley Longman.
• Alvarenga, B., Máximo, A. (1997). Física general. México: Oxford University.

Las imágenes utilizadas fueron tomadas de:

• Calorímetro. Autor: Lanzi. Licencia: Dominio Público CC0, vía Wikimedia Commons.
  
• Calorímetro de laboratorio. Autor: Anarella Gatto. Licencia: CC BY-SA 4.0.
• Banners de origami de rebajas. Autor: Freepik. Licencia: CC BY-SA 3.0.
  
• Colorful origami sale banner collection.  Autor: Freepik. Licencia: CC BY-SA 3.0.
  
• Pack of geometric lower thirds. Autor: Freepik. Licencia: CC BY-SA 3.0.
  
• Collection of abstract infographic banners. Autor: Freepik. Licencia: CC BY-SA 3.0.
  
• Ecuaciones relacionadas con el calor. Autor: Silvia Pedreira. Licencia: CC BY-SA 3.0
  

Autoría del Módulo: Profesoras Anarella Gatto y Silvia Pedreira.

agatto@uruguayeduca.edu.uy

spedreira@uruguayeduca.edu.uy

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Octubre de 2018.