Calorimetría y Transferencia de Calor: Conservación de la Energía y Cambios de Fase

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: CALORIMETRÍA

Una técnica para medir el calor específico comprende calentar una muestra a una temperatura conocida T_x poniéndola en un vaso que contenga agua de masa conocida y temperatura T_w < T_x y midiendo la temperatura del agua después de alcanzar el equilibrio. Esta técnica se denomina calorimetría, y los dispositivos en los que se presenta esta transferencia de energía se llaman calorímetros. Si el sistema de la muestra y el agua está aislado, la ley de conservación de la energía exige que la cantidad de energía que sale de la muestra (de calor específico desconocido) sea igual a la cantidad de energía que entra al agua.

La conservación de la energía nos permite escribir la representación matemática de este enunciado de energía como

Cambio de fase y calor latente

Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfiere energía entre ella y su entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de sólido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición). Todos estos cambios de fase corresponden a un cambio en energía interna, pero ningún cambio en temperatura.

La cantidad de energía transferida durante un cambio de fase depende de la cantidad de sustancia de que se trate. Si la cantidad Q de transferencia de energía se necesita para cambiar de fase de una masa m de una sustancia, la razón L=Q/m caracteriza una importante propiedad térmica de esa sustancia. Debido a que esta energía agregada o eliminada no resulta en un cambio de temperatura, la cantidad L se denomina calor latente ("calor oculto") de la sustancia. El valor de L para una sustancia depende se la naturaleza del cambio de fase, así como de las propiedades de la sustancia.

De la definición de calor latente, y de nuevo seleccionando el calor como nuestro mecanismo de transferencia de energía, encontramos que la energía necesaria para cambiar la fase de una masa m dada se una sustancia pura es

Transferencia de calor

El calor se transfiere, o se transmite, de cosas más calientes a cosas más frías. Si están en contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los que están más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta igualación de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras: por conducción, convección y radiación.