Title: ¿Cómo calculamos el calor?
Course: Ciencias Físicas - 2º C.B. > Section: Módulo 12: CÁLCULOS CALOR

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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.

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.

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.

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

Tabla de calores específicos

Sustancia o Material | Ce (J/g°C) | Ce (cal/g°C)
Agua | 4,180 | 1,000
Hielo | 2,215 | 0,530
Etanol | 2,508 | 0,600
Cobre | 0,389 | 0,093
Plata | 0,233 | 0,056
Aluminio | 0,944 | 0,226
Hierro | 0,456 | 0,109
Platino | 0,134 | 0,032
Oro | 0,130 | 0,031

¿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:

Magnitud | Ecuación | Unidades
Calor (Q) | Q = m . Ce . ∆T | J o cal
Calor específico (Ce) | Ce = Q/m.∆T | J/g°C o cal / g°C
Masa (m) | m = Q/Ce .∆T | g
Variación de temperatura (∆T) | ∆T = Q/ m. Ce | °C

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.

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

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional.

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Octubre de 2018.