Calorimetría y Termodinámica: Conceptos, Calor Específico y Transferencia de Calor

Calorimetría y Cantidad de Calor

La calorimetría es la rama de la física que estudia la cantidad de calor ($Q$) que puede absorber o ceder un cuerpo. El calor es una forma de energía, ya que por medio de él se puede realizar algún tipo de trabajo. El calor se mide en calorías, y como es una forma de energía, tiene las mismas unidades de medida.

Cantidad de Calor y Calor Específico

La cantidad de calor que absorbe o cede un cuerpo es directamente proporcional a su masa, a la variación de temperatura y al calor específico. Llamamos $Ce$ a una constante que depende de cada sustancia; esto significa la cantidad de calorías que hay que entregarle o quitarle a un gramo de cada sustancia para que su temperatura aumente o disminuya $1$ grado centígrado. Lo buscamos en la tabla y se mide en unidades específicas.

Llamamos $Q$ a la cantidad de calor que es directamente proporcional a la masa, que depende de la sustancia y de la variación de temperatura a la que se lo expone.

Cambios de Estado de la Materia

Los cambios de estado son el pasaje de un estado de agregación a otro, debido a variaciones de la temperatura o de la presión.

• Estado sólido: es aquel que posee forma y volumen propios, y donde la fuerza de atracción entre las moléculas es mayor que la repulsión entre las mismas.
• Estado líquido: posee volumen propio pero su forma es variable, y donde la fuerza de atracción entre las moléculas es igual a la repulsión entre las mismas.
• Estado gaseoso: no posee ni forma ni volumen propios, y donde la fuerza de repulsión entre las moléculas es mayor que la de atracción entre las mismas.

El calor es el factor preponderante que provoca que una sustancia pase del estado sólido a líquido y de este al gaseoso, siempre que se transmita a sus moléculas la energía suficiente.

Esta energía aumenta las velocidades de dichas moléculas, produciendo un aumento de temperatura y dando lugar a que se realicen los denominados cambios de estado. En estas transformaciones, toda la energía calorífica se emplea exclusivamente para separar las moléculas, elevando así su energía, sin que se modifique o varíe la temperatura cuando ello ocurre.

Transmisión del Calor

La transmisión del calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. El cuerpo de mayor estado térmico le cede calor al de menor estado térmico. Cuando un cuerpo está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, ocurre una transferencia de energía térmica hasta que el cuerpo y su entorno alcancen el equilibrio térmico.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

1. Conducción

Es el transporte de calor a través de una sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos sólidos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que tiene menor temperatura. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan la misma temperatura (equilibrio térmico).

Las moléculas del cuerpo que posee mayor estado térmico tienen mayor energía cinética, que es transmitida a la sustancia que posee menor estado térmico y menor energía cinética. Finalmente, todas alcanzan la misma energía cinética y, en consecuencia, la misma temperatura.

Los sólidos son mejores conductores que los líquidos, y estos mejores que los gases. Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

Ejemplo: una cuchara de metal que se calienta al dejarla dentro de una taza de té caliente.

2. Convección

Tiene lugar en los fluidos (gases y líquidos). Los fluidos, al calentarse, disminuyen su densidad y, al hacerse más livianos, ascienden hacia las regiones de fluido frío. El fluido frío, de mayor densidad, desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación —llamada corrientes convectivas— del calor hacia las regiones frías.

En los líquidos y en los gases, la convección es la forma más eficiente de transferir calor.

Ejemplo: el aire caliente que asciende desde una carretera recalentada o desde un radiador.

Por eso las estufas se colocan en la parte inferior de las habitaciones.

3. Radiación

Es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor. No se necesita ningún medio material para que se transmita y no se produce ningún intercambio de masa.

Ejemplo: nos llega toda la energía del Sol. La energía radiante del Sol se transmite a través del espacio vacío en forma de radiación que viaja a la velocidad de la luz.

Entre las diferentes ondas que componen la radiación hay radiación visible, ultravioleta e infrarroja.

La radiación produce la agitación de los átomos y de las moléculas, lo que se traduce en calor.

Efecto Invernadero

Es el proceso por el cual se retiene en la atmósfera una parte del calor que la Tierra refleja. Este calor se propaga por radiación. Es bueno para la vida, ya que si no se retuviera en la atmósfera el calor propagado por radiación, la Tierra se enfriaría muy rápido, haciendo peligrar la vida, logrando así un equilibrio en la temperatura terrestre.

El problema radica en que una cierta cantidad de gases que emite la actividad industrial y humana retienen mucho más calor de lo normal, rompiendo el equilibrio térmico. Esto produce que, a medida que se llena la atmósfera de estos gases, la Tierra se sobrecaliente.

Observaciones Prácticas

Si al aplicar esta fórmula se obtiene un resultado negativo, es porque la temperatura final es menor que la inicial y, por lo tanto, la sustancia está cediendo calor. Si el resultado es positivo, ocurre lo contrario y la sustancia está absorbiendo calor.

Calorímetro

El calorímetro es un dispositivo que se emplea para calcular el calor de una sustancia en la práctica, y analíticamente también podemos calcular otra magnitud.

• Ejemplo más común: el calorímetro de mezcla. Está formado por dos recipientes térmicamente aislados, cerrados y que poseen dos orificios en los que se encuentra un termómetro, un mezclador y reguladores de presión que se colocan dentro de él.
• Se colocan dos sustancias (pueden ser dos líquidos o un líquido y un sólido) de las cuales se pueden conocer el estado térmico inicial y sus masas. Uno de los elementos más comunes es el agua.
• Cuando las dos sustancias se mezclan, la de mayor estado térmico (más caliente) transfiere calor a la de menor estado térmico dentro del recipiente aislado. No hay pérdida de calor y el termómetro nos indica la temperatura final ($T_f$) de la mezcla; de esta forma se comprueba que las temperaturas no son promediales.