Concepto de Temperatura

Biografia de Joule James Prescott Resumen Obra Cientifica

Biografia de Joule James Prescott-Obra Cientifica en Química

JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889): Nació en Salford, Inglaterra, el 24 de diciembre de 1818. Este físico inglés educado en Cambridge con John Dalton, trabajó en la cervecería de su padre en Manchester y se familiarizó con el manejo del vapor y también con las locomotoras.

Fue el primer investigador que descubrió que la cantidad de calor generada era directamente proporcional a la resistencia del conductor eléctrico y al cuadrado del flujo de la corriente.

Realizó innumerables experimentos para determinar el equivalente mecánico del calor, concluyendo que la energía mecánica y el calor están relacionados íntimamente.

En 1847 hizo una exposición en Manchester sobre la equivalencia de la energía mecánica, el calor, la energía química y la energía eléctrica.
Joule perfeccionó la teoría cinética molecular de los gases.

Calculó independientemente la velocidad media de las moléculas invisibles del gas hidrógeno (poco menos de un kilómetro y medio por segundo a la presión normal y a la temperatura de cero gardo centígrado – 0ºC).

Fue secretario de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester.

Biografia de Joule James Prescott
Joule, James Prescott. (Salford, Lancashire. 1818-Sale, Cheshire, 1889.) Físico británico. Estudió en la Universidad de Manchester, donde fue alumno de John Dalton. En 1840 descubrió el efecto Joule, la generación de calor al paso de una corriente eléctrica, y enunció la ley de Joule, que afirma que la cantidad de calor desprendida es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de la corriente.

El efecto Joule se aplica en todos los aparatos donde se produce calor mediante una resistencia eléctrica. En 1843 calculó el equivalente mecánico del calor, la cantidad de calor equivalente a un trabajo mecánico determinado.

Para obtenerla ideó diversos experimentos. Por ejemplo, la caída de unos pesos hace girar unas paletas en el interior del líquido contenido en un calorímetro, midiéndose con un termómetro el aumento de la temperatura del líquido.

También se mide la velocidad de los pesos al llegar al suelo. La energía mecánica perdida es la diferencia entre la energía potencial inicial de los pesos y su energía cinética al final del experimento.

El equivalente mecánico del calor se obtiene dividiendo dicha energía por la cantidad de calor desprendido. Su valor es constante (4,185 julios/caloría) y se representa en honor de Joule con la letra J.

Este hallazgo abrió el camino hacia la ley de la conservación de la energía, primer principio de la Termodinámica.

Trabajando como físico, sostuvo demostró y midió, la equivalencia de los distintos tipos de energía (térmica, mecánica y eléctrica), con lo que armó el Primer Principio de la Termodinámica en términos cuantitativos: eléctricos en 1840 y mecánicos hacia 1843, dando confirmación a las tesis de Rumford, William Thomson y Julius Mayer.

En 1852, en colaboración con William Thomson (Lord Kelvin), descubrió el efecto Joule-Thomson, que consiste en que la temperatura de un gas disminuye cuando se expande sin realizar trabajo.

A la temperatura ordinaria son excepción el hidrógeno y el helio, que se calientan. Este efecto se utiliza en refrigeración y en la industria de licuefacción de gases.

En honor a Joule se ha dado su nombre a la unidad de trabajo o energía en el sistema internacional de unidades (julio, en español).

Entre sus obras destaca On the productior, ofheat by voltaic electricity (Sobre la producción de calor mediante electricidad voltaica, 1840).

Joule recibió muchos honores de universidades y sociedades científicas de todo el mundo. Sus Escritos científicos (2 volúmenes) se publicaron en 1885 y 1887 respectivamente.

Fuentes Consultadas:
150 Grandes Cientificos de Norman J. Brudge Editorial Texido
Grandes Cientificos de la Humanidad Tomo I Editorial Espasa Calpe

Calor Producido Por la Corriente Electrica Aplicaciones

Calor Producido Por la Corriente Electrica Aplicaciones

Una corriente eléctrica se asemeja a una caravana de electrones; en movimiento; el conductor sería como un bosque contra cuyos árboles chocarían los electrones al recorrerlo produciendo una agitación general. Los «árboles» son en este caso átomos o moléculas del conductor y el movimiento que nace del choque con los electrones se traduce en un aumento de las vibraciones habituales de los átomos y moléculas. Dichas oscilaciones se perciben como temperatura. De ahí que el calor sea uno de los efectos invariables de la corriente eléctrica al pasar por un conductor. Podemos decir también que ese calor se produce al tratar la corriente de superar la resistencia del conductor.

RESISTENCIA
La resistencia de una sustancia es la dificultad que ofrece al paso de una corriente eléctrica. Puesto que una corriente es un flujo de electrones que saltan de un átomo a otro, la resistencia depende fundamentalmente de la firmeza con que los electrones están sujetos a los átomos.

En un buen conductor como el cobre, algunos de los electrones están muy débilmente unidos a los átomos y ía resistencia es muy pequeña, mientras que en un mal conductor de la electricidad (aislador) como el caucho, todos los electrones están firmemente unidos a sus respectivos núcleos y la resistencia es muy grande.

En los buenos conductores la resistencia depende del calibre y de la longitud. Cuanto más grueso y corto sea un conductor, tanto menor será su resistencia; cuanto más fino y largo, más resistirá al paso de la corriente, pues al reducirse su sección los electrones tienen menos espacio para pasar.

CONDUCTIBILIDAD Y  NATURALEZA QUÍMICA
Hay dos tipos de sustancias: las que conducen la corriente, llamadas «conductoras», y las que.no la conducen o «aisladoras». Pero entre las primeras se distinguen dos clases: conductores de primera clase y conductores de segunda clase.

Entre los de primera clase se encuentran los metales, cuya estructura química no varía por el paso de la corriente eléctrica; en ellas los electrones «viajan» solos. Los de segunda clase son los electrólitos, sustancias cuyas moléculas disueltas en agua se separan en iones o partículas electrizadas que al conducir la corriente (en solución o fundidos) sufren reacciones «electrolíticas» que alteran su constitución.

En estas sustancias los electrones son transportados por los iones hasta los bornes o «electrodos». De allí la disociación de los electrólitos al apartarse los iones de cargas eléctricas opuestas.

EL CALOR,  FORMA DE ENERGÍA
Veamos qué relación hay entre calor y trabajo. El calor es una forma de energía o capacidad de realizar un trabajo que consiste en vencer una cierta resistencia. Las distintas formas de energía pueden transformarse unas en otras. Por ejemplo, un cuerpo colocado a cierta altura posee energía «potencial» que, al caer el cuerpo, se transforma gradualmente en «cinética».

Al caer contra el suelo produce una pequeña cantidad de calor, como el martillo al dar contra el clavo. La energía se conserva (éste es un principio fundamental de la Física): en el ejemplo de la caída a medida que la energía potencial disminuye, la energía cinética o de movimiento aumenta  y  la  suma de  ambas permanece  constante.

EL TRABAJO MECÁNICO
Cuando una fuerza mueve un cuerpo efectúa un trabajo mecánico (en nuestro ejemplo, la fuerza que actúa es el peso del cuerpo) y ese trabajo es igual al producto de la fuerza por el camino recorrido en su dirección, es decir, por una longitud.

De modo que si queremos expresar el trabajo en unidades, la unidad de trabajo será igual a la unidad de fuerza multiplicada por la unidad de longitud. La unidad de fuerza se llama dina (en el sistema de medidas cuyas unidades fundamentales son el centímetro, el gramo-masa y el segundo, llamado por eso «sistema c.g.s.»).

La dina es la fuerza que aplicada al gramo-masa le comunica una aceleración de 1 centímetro por segundo a cada segundo. La unidad de longitud es el centímetro. Pero como la dina es una unidad muy pequeña, el trabajo de una dina a lo largo de 1 centímetro es una unidad diminuta, llamada ergio. Por eso se usa como unidad otra de diez millones de ergios, denominada julio (o joule).

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
En numerosas experiencias se comprueba que a la realización de un trabajo corresponde la aparición de una cantidad de calor. Por ejemplo, cuando usamos un inflador de bicicleta comprimimos un gas (el aire) y notamos que el tubo metálico se calienta.

Si se ha convertido un trabajo T en una cantidad de calor Q que verifica que T= J x Q, esa «J» es una cantidad constante que permite calcular la reciprocidad entre joules y calorías y se llama equivalente mecánico del calor.

Su valor es 4,18 (1 caloría equivale a 4,18 joules) y lo descubrió el gran sabio inglés James Joule (1818-1889) quien también enunció una sencilla fórmula que permite conocer la cantidad de calor producida poruña corriente eléctrica.

CORRIENTE  ELÉCTRICA Y CALOR
Para abreviar sus fórmulas, los físicos representan las magnitudes por letras, que son generalmente las iniciales de la palabra o la unidad que expresan. «T» significa «trabajo», medido en joules. «I» significa  «intensidad de la corriente», medida en  amperios. «R« significa «resistencia» del circuito, medida en ohmios. «t»  significa  «tiempo»,  medido en  segundos. «V» significa «voltaje», medido en  voltios.

El   trabajo   realizado   por  una   corriente   eléctrica depende del voltaje, de la intensidad de la corriente y, naturalmente, del tiempo transcurrido, o sea T = V x I x t que ue se expresa T = V .I. t (1) pues los signos de multiplicación (.) se sobreentienden.

Pero según la ley de Ohm: volt = ohmio x amperio,… ósea V = R x I

Al reemplazar «V» por su valor I x R en la fórmula anterior tenemos: T=R x I x l x t  ósea, T = R. I². t (2)

En otros términos, el trabajo  que efectúa una corriente eléctrica es, medido en joules, el resultado de multiplicar la resistencia del circuito en ohmios por el cuadrado de la intensidad en amperios y por los segundos de tiempo transcurrido.

El trabajo se obtiene en joules. Para transformarlo en calorías (una pequeña caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua) basta dividir por 4,18 ya que 4,18 julios equivalen a una pequeña caloría.

De modo que conociendo esta relación podemos saber con exactitud cuánto calor produce una corriente. Pero ignoraremos aún cuánta energía   útil  se  produce porque  ésta  depende  de nuestro  designio y siempre  se  gasta  una  parte  de esa energía en fenómenos colaterales indeseables.

CÓMO SE  APROVECHA   EL  EFECTO  CALÓRICO DE LA ELECTRICIDAD
En casi todos los artefactos eléctricos que producen calor o luz se emplean hilos metálicos de muy pequeño calibre y gran longitud, o que por su naturaleza oponen mucha dificultad al paso de la corriente. Estos hilos, arrollados en espiral, se llaman resistencias y logran un rendimiento próximo al 100 % al transformar la energía eléctrica en calor (no en luz).

Otro sistema basado en el mismo principio es el arco eléctrico, donde el hilo metálico es reemplazado por dos electrodos de carbón que también constituyen una resistencia. El arco se forma merced a los vapores de carbón incandescente y se logran temperaturas muy elevadas (unos 3.600°C). Hay otros métodos de producir calor y que sólo mencionaremos. Mediante corrientes alternas de alta frecuencia es posible calentar en todo su espesor sustancias no conductoras (aisladoras llamadas también «dieléctricos»)   por  el   sacudimiento   que   el  campo eléctrico produce en su masa.

Se logra un calentamiento muy uniforme, aprovechable en ciertas industrias (plásticos). Otro método es el calentamiento por inducción en el que se utiliza un campo electromagnético variable (ya hemos visto la relación entre electricidad y magnetismo). También se logra un calentamiento muy uniforme. Pero en estos dos métodos el rendimiento es muy inferior al ciento por ciento.

RESISTIVIDAD Y RESISTENCIA
La resistencia total de un circuito depende, además de su longitud y calibre, de la resistencia especifica o resistividad de la sustancia que lo constituye, y que indicaremos por la letra «r».

La fórmula se obtiene así: la resistencia R del circuito es tanto más grande cuanto mayor es su longitud «l» y la resistividad «r» del material que lo compone. Por otra parte R es tanto más pequeño cuanto mayor es la sección «s» del conductor.

En resumen, R es igual a la resistividad multiplicada por la longitud y dividida por la sección del conductor, o sea: R = r.l/s

Esta fórmula guía a ios ingenieros en la elección de la sustancia conductora apropiada a cada caso, pues la resistividad «r» es característica de cada material, y hay tablas para conocerlas. Generalmente aumenta con la temperatura (excepto en los semiconductores, el carbón y otras sustancias o mezclas).

Ejemplo: Un calentador electrico para 220 Volt, tiene una resistencia  de 80 Ohmios. Calcular la cantidad de calor T que produce este calentador en 2 minutos.

Antiguo Calentador Eléctrico

Sabemos que: T = R. I². t

La corriente I la obtenemos de la ley de Ohm: I=V/R=220/80=2,75 Amperios

Entonces: T=80. (2.75)². 120 seg.=72.600 Joules y multiplicado por 0,24 lo pasamos a calorias: 17.224 cal.

LÁMPARAS ELÉCTRICAS DE FILAMENTO
Las aplicaciones prácticas del efecto térmico de la corriente son muy numerosas. Una de las más importantes es la lámpara eléctrica. Ésta se compone de un largo y fino filamento de tungsteno que ofrece una considerable resistencia al paso de la corriente (el filamento puede tener hasta 60 centímetros de largo aunque está arrollado en una espiral de menos de 2,5 centímetros de longitud).

La fórmula de Joule nos dice que cuanto mayor sea la resistencia del hilo conductor, mayor es el calor producido. En este caso, debido al escaso calibre y gran longitud, se produce suficiente calor como para que que el tungsteno se vuelva incandescente y emita una luz casi blanca. Aunque ahora parezca simple, los primeros intentos para hallar un filamento adecuado fueron penosos.

Thomas Alva Edison, el inventor americano de la primera lámpara eléctrica útil (1879) empleó hilos de bambú carbonizado y evitó que ardieran haciendo el vacío dentro de la lámpara, es decir, retirando el oxígeno necesario para la combustión. Luego se recurrió al filamento de tungsteno pero el metal se vaporizaba gradualmente y depositábase en una capa negruzca en la pared de vidrio. Para impedirlo, la mayoría de las lámparas actuales están llenas de un gas inerte como el argón, que no reacciona   con   el  metal   y  evita su   vaporización.

ESTUFAS ELÉCTRICAS
Las estufas eléctricas se componen también de un alambre arrollado en espiral que se calienta al rojo cuando pasa la corriente; entonces el hilo conductor no sólo caldea el aire sino que emite rayos caloríficos. El filamento se arrolla sobre un soporte de material no conductor y refractario para que soporte temperaturas bastante altas. Generalmente se usa mica o materiales cerámicos.

El metal de la resistencia es una aleación, por lo general de níquel y cromo. La mayoría de los otros metales se oxidarían (combinación con el oxígeno del aire) y se quemarían muy rápidamente. Existen calentadores llamados de inmersión porque se colocan dentro del agua que se desea calentar, construidos en forma similar a las estufas; su filamento queda  aislado  del  agua  por una  cápsula  metálica  hermética.

FUSIBLES
Los fusibles usados para proteger circuitos eléctricos, representan otra útil aplicación del efecto calórico de la electricidad. Si, por alguna razón, pasa por ellos una corriente más intensa que la prevista se calientan excesivamente y se derriten. Evitan así que el contacto fortuito entre dos cables desnudos, que permite a la corriente utilizar un camino más corto y fácil (de allí viene el nombre de «cortocircuito») sobrepase la capacidad prevista para el circuito  y pueda provocar un desastre.

El alambre de un fusible se compone de un metal o aleación de bajo punto dé fusión. Si una corriente demasiado intensa recorre el circuito engendra suficiente calor como para fundir el alambre del fusible. Esto corta el  circuito  y se  evitan  serios daños.

El fusible es un simple trozo de alambre fino cuya temperatura de fusión es muy inferior a la del resto del circuito. Se lo intercala de modo que toda la corriente deba pasar por él, y si la intensidad de ésta sobrepasa cierto límite el alambre del fusible se calienta hasta fundir, interrumpiendo el circuito.

HORNOS  ELÉCTRICOS
Otra aplicación importante son los hornos eléctricos. Existen dos tipos: el horno de resistencia que funciona como las estufas domésticas aunque en mayor escala y el horno de arco que se base en el arco eléctrico ya mencionado. Se utiliza la formación de chispas entre los dos electrodos mantenidos a corta distancia y la gran cantidad de calor producida se debe a la resistencia que ofrece el aire al paso de corriente por ser mal conductor.

Estos hornos de arco se usan para fundir metales y en algunos el metal se funde por el calor de dos electrodos de carbón puestos por encima del metal. En otros el mismo metal sirve de electrodo mientras que el otro es de carbono y se funde por el calor del arco.

PLANCHA ELECTRICA: Idem al caso anterior, utiliza calor generado por una resistencia a partir de la corriente eléctrica. las amas de casa todavía no no la podían utilizar ya que no existía la conexion a la red eléctrica y no se había inventado aun el termostato. El calor se producía en una resistencia colocada en el interior de la plancha que con el paso de la corriente eléctrica se calentaba por el efecto Joule.

Esto consiste en que la circulación de corriente eléctrica por la resistencia, desprende mas o menos cantidad de calor dependiendo de tres factores: el valor del cuadrado de la intensidad, la resistencia y el tiempo de funcionamiento del aparato eléctrico.

Fuente Consultada:
Revista TECNIRAMA N°14 Enciclopedia de la Ciencia y La Tecnología – Ciencia: La Electricidad-

Cantidad de Calor Concepto de Caloria Equivalente Mecanico Joule

CONCEPTO DE CANTIDAD DE CALOR, CALORÍA, EQUILIBRIO TÉRMICO Y EL EQUIVALENTE MECÁNICO

Temas Tratados:

1-Introducción Elemental
2-Temperatura y Cantidad de Calor – Ejemplos-
3-La Caloría-Definición
4-Calor Específico
5-Tabla de Calores Específicos
6-Ejemplos Simples
7-Equivalente Mecánico del Calor
8-Medición del Calor Específico

INTRODUCCIÓN ELEMENTAL:

Cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se ponen en contacto, la temperatura final que alcanzan ambos sistemas tiene un cierto valor comprendido entre las dos temperaturas iniciales. Esta es una observación común.

El hombre ha tratado desde hace mucho de encontrar una interpretación a fondo de tales fenómenos. Hasta principios del siglo XIX, se explicaban estos fenómenos admitiendo que en todos los cuerpos existía una sustancia material, llamada calórico.

Se creía que un cuerpo a elevada temperatura contenía más calórico que otro a baja temperatura. Cuando los dos cuerpos se ponían en contacto, el cuerpo rico en calórico comunicaba algo de esa sustancia al otro, hasta que ambos cuerpos alcanzaban la misma temperatura.

La teoría del calórico podía describir muchos procesos, tales como la conducción del calor o la mezcla de sustancias en un calorímetro, de una manera satisfactoria.

Sin embargo, el concepto de calor como sustancia, cuya cantidad total permanecía constante, a la larga no pudo resistir la prueba de los experimentos.

No obstante, todavía describimos muchos cambios de temperatura comunes como el paso de «algo» de un cuerpo que está a mayor temperatura al que se encuentra a menor temperatura, y a este «algo» le llamamos calor.

Una definición útil pero no operacional, es la siguiente: Calor es aquello que se comunica entre un sistema y su medio ambiente como resultado únicamente de la diferencia de temperaturas

A la larga se llegó a entender que el calor es una forma de la energía y no una sustancia. La primera prueba conclúyeme de que el calor no podía ser una sustancia fue dada por Benjamín Thompson (1753-1814), un norteamericano que más tarde llegó a ser Conde Rumford de Baviera. En una memoria presentada ante la Royal Society  en 1798 escribió:

Yo…estoy persuadido, de que el hábito de conservar los ojos abiertos a todo lo que ocurre en el curso ordinario de las cosas de la vida ha conducido, como si fuera por accidente, o en las excursiones juguetonas de la imaginación. ..a dudas útiles y a esquemas valiosos de investigación y mejora, más a menudo que las más intensas meditaciones de los filósofos, en las horas que expresamente se dedican al estudio. Fue por accidente que me vi conducido a hacer los Experimentos de los cuales voy a dar cuenta.

Rumford hizo su descubrimiento mientras estaba supervisando la perforación de cañones para el gobierno bávaro. Para impedir que se sobrecalentara, el alma del cañón se conservaba llena de agua.

El agua se reponía conforme se iba evaporando durante el proceso de taladrado. Se aceptaba que era calórico lo que tenía que proporcionarse al agua para ponerla a hervir.

La producción continua de calórico se explicaba admitiendo que cuando una sustancia se subdividía en partículas más y más finas, que es lo que ocurre al taladrar, su capacidad para retener calórico se hacía cada vez más escasa, y que era el calórico desprendido de esta manera lo que motivaba que el agua hirviera.

Sin embargo, Rumford observó en experimentos específicos, que el agua hervía aun cuando los útiles para taladrar quedaban tan embotados que ya no cortaban ni subdividían la materia.

Escribió después de eliminar por los experimentos todas las interpretaciones posibles del calórico:

…al razonar sobre este asunto, no debemos olvidar el tener en consideración esta circunstancia tan notable, que la fuente de Calor generado por rozamiento, en estos Experimentos, parecía evidentemente ser inagotable… me parece extremadamente difícil, si no totalmente imposible, formarse una idea clara de alguna cosa capaz de ser excitada v comunicada en la forma como el calor era excitado y comunicado en estos Experimentos, como no sea el MOVIMIENTO.

Aquí tenemos el germen de la idea de que el trabajo mecánico gastado en el proceso de taladrado era el responsable de la creación  del calor.

La idea no fue claramente expresada, sino hasta mucho tiempo después, por otros investigadores.

En lugar de la continua desaparición de energía mecánica y la continua creación de calor, no obedeciendo ninguna a ningún principio de conservación, se vio entonces todo el proceso como una transformación de energía de una forma en otra, conservándose la energía total.

Aun cuando el concepto de energía y de su conservación parece autoevidente hoy en día, era una idea novedosa todavía en los años de 1850 y había escapado a mentes tales como las de Galileo y Newton.

En la historia subsecuente de la física, esta idea de conservación condujo a los hombres a nuevos descubrimientos. os primeros pasos de su historia fueron notables por muchos conceptos. Diversos pensadores llegaron a este gran concepto aproximadamente al mismo tiempo; al principio, todos ellos o fueron recibidos fríamente o no se les hizo caso.

El principio de la conservación de la energía fue establecido independientemente por Julius von Mayer (1814-1878) en Alemania, James Joule (1818-1889) en Inglaterra, Hermann von Helmholtz (1821-1894) en Alemania, y L. A. Colding (1815-1888) en Dinamarca.

Fue Joule quien demostró experimentalmente que al convertir una cantidad dada de energía mecánica en calor, siempre se produce la misma cantidad de calor. Así fue definitivamente establecida la equivalencia del calor y la energía mecánica como dos formas de energía.

Helmholtz fue quien primero expresó claramente la idea de que no sólo el calor y la energía mecánica son equivalentes sino que todas las formas de energía lo son, y que no puede desaparecer una cantidad dada de una forma de energía sin que aparezca una cantidad igual en alguna de las otras formas.

Conde Rumford

Rumford, un norteamericano, fue el fundador de la Royal Institucion de Londres.
Por otra parte, la Smithsonian Institution en Washington debe su origen a un inglés.

Temperatura y cantidad de calor. Su diferenciación mediante ejemplos:

Para calentar 10 Kg. de agua desde 20°C hasta 100°C, por ejemplo, hace falta quemar una cantidad mayor de gas que para calentar 2kg de agua entre las mismas temperaturas.

Si se dispone del mismo «fuego» en ambos casos, el calentamiento de los 10 Kg. requerirá más tiempo durante el cual, claro está, se consumirá mayor cantidad de gas. También se puede utilizar un mechero que consuma mayor cantidad de gas en la unidad de tiempo.

Si tenemos un fósforo encendido, podemos con él producir la ignición de un papel. Con 5 Kg. de agua a 50°C podemos calentar en unos cuantos grados una pieza de cobre de 10 Kg. Pero no podemos con ella encender un trozo de papel ni con el fósforo calentar apreciablemente la masa de cobre.

Observaciones de este tipo han llevado a la conclusión de que en los fenómenos térmicos la temperatura desempeña un papel importante; pero hay algo más que no puede ser caracterizado por ella. Esta conclusión unida a otras ha llevado a admitir que, cuando un cuerpo dado se enfría, pierde (entrega o cede) una cantidad de calor y que cuando se calienta, recibe (absorbe o toma) una cantidad de calor.

Por razones que no es del caso exponer aquí, ha sido necesario admitir que la cantidad de calor que intercambia un cuerpo cuando su temperatura varía, es proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia entre las temperaturas final e inicial del calentamiento o enfriamiento.

La constante de proporcionalidad depende del material que forma el cuerpo, como veremos enseguida.

Si un cuerpo (o varios) se enfría (o enfrían) en contacto con otro (u otros) que se calienta (o calientan) y no se produce cambio alguno en el estado de los cuerpos ni otras transformaciones, fuera de los calentamientos y enfriamientos, la cantidad de calor que pierden los cuerpos que se enfrían es igual a la cantidad de calor que reciben los cuerpos que se calientan.

Todo sucede como si la cantidad de calor intercambiada saliese de los cuerpos que se enfrían y pasase íntegramente a los cuerpos que se calientan.

¿Qué es el calor?

A nivel microscópico, como ya lo hemos explicamos cuando hablamos de temperatura, todas las moléculas de un sistema físico se encuentran en continuo movimiento; en el caso de los sólidos se trata de una vibración en torno a una posición de equilibrio y en el de los gases es un movimiento aleatorio.

Este movimiento de las partículas tiene asociada una energía cinética, que debe clasificarse en dos tipos diferentes: la correspondiente al movimiento del sistema en su conjunto y la que corresponde al movimiento de unas partículas con respecto a otras.

La suma de las energías cinéticas de todas las partículas de un cuerpo es llamada energía interna o térmica, y su aumento o disminución lo apreciaremos a través de la temperatura.

El calor es una forma de energía, y la energía calórica de un cuerpo es la suma de las energías cinéticas de sus moléculas. Esta interpretación permite formarnos una imagen clara de lo que ocurre cuando ponemos en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas: pasa energía de las moléculas de uno a las del otro, mediante la interacción de choques o de atracciones, hasta que las energías cinéticas medias se igualan (o sea, se igualan las temperaturas).

Así se comprende que los gases de la llama de un fósforo tengan temperatura mayor que una olla de agua caliente, pero menor cantidad de calor, o sea, menor cantidad de energía.

Cantidad de calor : La Caloría

La unidad de cantidad de calor Q se define cuantitativamente en  función de un cierto cambio producido en un cuerpo durante un proceso especificado. Así, si se eleva la temperatura de un kilogramo de agua de 14.5 a 15.5°C calentándolo, decimos que se ha agregado al sistema una kilocaloría (Kcal.).

La caloría (= 10-3 Kcal.) se usa también como unidad de calor. (Entre paréntesis, la «caloría» que se usa para medir el contenido de energía de los alimentos es en realidad una kilocaloría.)

En el sistema inglés de unidades de ingeniería la unidad de cantidad de calor es la British thermal unit (Btu), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 63 a 64°F.

Las temperaturas de referencia se estipulan porque, en la vecindad de la temperatura ambiente, hay pequeñas variaciones en la cantidad de calor necesaria para producir una elevación de un grado según sea el intervalo de temperatura escogido.

No tomaremos en cuenta esta variación para la mayoría de los fines prácticos. Las unidades de cantidad de calor están relacionadas como sigue: 1.000 Kcal. = 1.000 cal = 3.968 Btu = 4186 joules.

En base a la definición anterior si tenemos una masa de agua de 450 g de la cual sabemos que se calienta de 15°C a 30°C. Por cada gramo y por cada grado centígrado, esa masa de agua toma una caloría.

Como las cantidades de calor son proporcionales a la masa de los cuerpos que se calienta y a la diferencia de temperatura (final menos inicial), en el ejemplo dado el agua habrá tomado 1 cal g-1 C-1 X 450 g X (30 —15) °C = 675 cal. (Hacemos notar que el cal es el símbolo de caloría.)

Si la misma masa de agua se hubiese enfriado de 30°C a 15°C hubiese cedido esa misma cantidad de calor.

El resultado del cálculo sería -675 cal, pues la diferencia entre paréntesis hubiese sido (15—30). Si el calentamiento del agua se hubiese producido en contacto con un cuerpo de masa m cuya temperatura hubiese variado entre ti y 30° (la temperatura final es la misma, ya que suponemos que el agua y el cuerpo llegan a un equilibrio térmico), el cuerpo en cuestión hubiese cedido al agua (él hubiese perdido, entregado) una cantidad de calor dada por la expresión de proporcionalidad:

Q – c . m . (ti-30)

Q es el símbolo general para cantidades de calor. Ahora bien, la masa de agua es el único cuerpo que se calentó y la cantidad de calor calculada para el calentamiento del agua es la misma que entregó el cuerpo al enfriarse. Por esta causa dijimos que estábamos en presencia de una manera de medir cantidades de calor.

La constante de proporcionalidad, c, que aparece en la última fórmula no es otra cosa que el calor específico del cuerpo o material de que se trate. Su definición es la cantidad de calor necesaria para aumentar en 1°C la temperatura de 1 g del material que forma el cuerpo. Si comparamos esta definición con la de caloría, veremos que el calor específico del agua es 1 cal/g (grado C).

El calor específico de una sustancia, ce, es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un kilogramo de dicha sustancia. Se mide en J/(kg . K) en el SI. También se puede expresar en cal/(Kg . °C).

La cantidad de calor necesaria para que una masa m de una sustancia aumente su temperatura desde T1, hasta T2 se expresa entonces así: Q = m . ce . (T2 — T1) = m. ce. ▲T

(▲T): se lee delta T , es la variación de la temperatura, y equivale a la temperatura final menos la temperatura inicial.

TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS

Sustancia  c.e. (Cal./Kg./°C) c.e. (J./Kg./°K)
Aluminio210878
Cobre 90375
Hierro110460
Plomo30125
Mercurio30125
Plata 60250
Latón90375
Vidrio160667
Arena200835
Hielo500120
Agua Pura10004180
Agua de Mar9403900
Alcohol Etílico5502400
Glicerina5802420
Trementina4201750
Aceite4001670
Vapor de Agua4601920
Carbono121500
Wolframio32135

Para pasar de (cal./Kg./°C) a Kcal. se multiplica por 1000. Lo mismo si se quiere pasar de Kg. a gr. se divide por 1000. También de Cal. a Joule (J.) divide por 0,24. Si divide para el aluminio los 210 por 0,24
se obtiene en Joule, 878.

EJEMPLOS:

• ¿Que cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 50 gr. de cobre desde 18°C. hasta 98°C?

▲T=98-18 = 80°C

El calor específico del cobre es de 0,09 cal./gr./° C. La masa m = 50 gr., el calor específico s = 0,09 = 9:100 cal./gr./° C, la variación de temperatura es  = 80° C. La cantidad de calor es Q = m x s x t = 50 X 9:100 x 80 = 360 calorías.

De la definición de caloría (cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1 g. de agua en 1° C), se deduce que el calor específico del agua es de 1,00 cal./gr.° C. Éste es el mayor calor específico de todas las sustancias ordinarias. Es, por ejemplo, unas 5 veces mayor que el calor específico de la arena. Para producir el mismo aumento de temperatura, el agua absorbe una cantidad de calor 5 veces mayor que una masa igual de arena. Esto explica por qué el mar tarda más en calentarse, durante el día, que una playa de arena; y por qué la arena de la playa se enfría más rápidamente al llegar la noche.

• ¿Cuánto calor es necesario para aumentar en 25 °C (a temperatura de 3 Kg. de agua?
Suponemos que no hay cambios de estado:

formula cantidad de calor

La cantidad de calor pedida depende únicamente de la masa y del aumento de temperatura, para el caso del agua.


• Introducimos una barra de aluminio, de 0,2 Kg., a 80 °C en un vaso con 0,25 Kg. de agua a 20 °C. Calcular la temperatura final, suponiendo que no hay pérdidas de calor con el ambiente.

Cuando se alcance el equilibrio térmico ambos estarán a la misma temperatura. El aluminio cede calor (Qc) y disminuye su temperatura:

formula cantidad de calor

El agua absorbe calor (Qa) y aumenta su temperatura:

formula cantidad de calor

Si no hay pérdidas de calor se cumple que: el calor cedido (negativo) por la barra de aluminio es igual al absorbido (positivo) por el agua.

Un bloque de cobre de 75 g, se saca de un horno, y se echa en un depósito de vidrio de 300 g que contiene 200 g de agua. La temperatura del agua se eleva de 12 a 27°C. ¿Cuál era la temperatura del horno?

Este es un ejemplo de dos sistemas que se encontraban originalmente a diferentes temperaturas y que alcanzaron el equilibrio térmico después de ponerse en contacto. No interviene energía mecánica, sólo hay un intercambio de energía calorífica. Por consiguiente:

formula cantidad de calor

El subíndice C representa al cobre, G al vidrio y W al agua. La temperatura inicial del cobre es Tc, la temperatura inicial del agua del depósito es Tw, y la temperatura final de equilibrio es Te. Sustituyendo los valores dados, con Cc=0.093 cal/g C, Cg = 0.12 cal/g C°, y Cw = 1.0 cal/g C°, obtenemos:

Equivalente mecánico del calor

Si el calor no es sino otra forma de la energía, cualquier unidad de energía puede ser una unidad de calor. La caloría y el Btu se originaron antes de que fuera aceptado generalmente que el calor es energía. Fue Joule quien primero midió cuidadosamente el equivalente en energía mecánica de la energía calorífica, esto es, el número de joules equivalente a 1 caloría, o el número de pies-libras equivalente a 1 Btu.

El tamaño relativo de las «unidades caloríficas» y de las «unidades mecánicas» se puede encontrar efectuando experimentos en los cuales una cierta cantidad medida de energía mecánica se convierte completamente en una cantidad medida de calor. Joule usó originalmente un aparato en el cual unas pesas que caían hacían girar un conjunto de aspas en un recipiente con agua  La pérdida de energía mecánica se calculaba conociendo los pesos y las alturas

aparato de Joule

 Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.
Las pesas que caen hacen girar las aspas que agitan el agua en el recipiente, elevándole su temperatura

de las cuales caían y la ganancia de energía calorífica, determinando el equivalente en agua del conjunto y su elevación de temperatura. Joule deseaba demostrar que se obtendría la misma cantidad de energía calorífica al consumir una cierta cantidad dada de trabajo independientemente del método seguido para producir el trabajo.

cientifico jouleProducía calor agitando mercurio; frotando entre sí anillos de hierro en un baño de mercurio; convirtiendo energía eléctrica en calor en un alambre sumergido en agua; y de otras formas. Siempre coincidía la constante de proporcionalidad entre la cantidad de calor producido y la cantidad de trabajo ejecutado dentro de su error experimental de 5%.

Joule no disponía de los termómetros exactamente comparados que tenemos en la actualidad, ni podía hacer correcciones tan seguras de las pérdidas de calor del sistema como es posible hacerlo ahora.

Sus experimentos originales son notables no sólo por la habilidad e ingenio que mostró sino también por la influencia que tuvieron para convencer a los hombres de ciencia de todas partes, de lo correcto del concepto de que el calor es una forma de la energía.

Los resultados aceptados son:

1 kcal = 1 000 cal = 4 186 joules,
1 Btu = 252.0 cal = 777.9 pies Ib;

esto es, cuando se convierten en calor 4 186 joules de energía mecánica, elevan la temperatura de 1 Kg. de agua de 14.5 a 15.5°C.

En calorimetría moderna las cantidades de calor se miden casi siempre la función de la energía eléctrica proporcionada a un baño de agua al hacer pasar una corriente por una resistencia que se encuentra dentro del baño; raras veces se miden observando la elevación de temperatura de un baño de agua. Así pues, la unidad práctica lógica de calor es el joule (1 joule = 1watt-seg) y de hecho es la que se adoptó como unidad internacional aceptada jara el calor por la Novena Conferencia General de Pesas y Medidas (1948). De hecho, en la práctica moderna de los laboratorios, la caloría (o la kilocaloría) si se usa mucho ni se necesita. Sin embargo, está profundamente metida en !a literatura científica. Para permitir el seguir usando esta unidad familiar —-pero para reconocer la importancia práctica del joule— a menudo se define una nueva kilocaloría, la kilocaloría termoquímica: 1 Kilocaloría=4184.0vjoules (exactamente)

Medida del color específico del aluminio, por el método de las mezclas. El aluminio se calienta en agua hirviendo, y luego se sumerge en el agua fría del calorímetro. El calor ganado por el agua fría y el calorímetro puede calcularse, y es igual a Q, el calor cedido por la masa m de aluminio. El calor específico s del aluminio puede deducirse de la ecuación Q= m . s . ▲T(observación: en este ejemplo s=ce el calor específico del material)

MEDIDA DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO

Este experimento ofrece un ejemplo del llamado «método de las mezclas». Está basado en el hecho de que el calor que pierde un cuerpo caliente lo gana un cuerpo más frío. El experimento será correcto si se toman las precauciones necesarias para que no haya pérdidas de calor fuera del aparato.

calorimetro metodo de las mezclas

La parte principal del aparato es el «calorímetro», un recipiente de cobre con paredes de poco grosor (el cobre tiene un bajo calor específico y, por lo tanto, una pequeña capacidad para absorber calor) que debe estar muy bien pulido, para evitar las pérdidas de calor por radiación.

El calorímetro se coloca sobre un soporte de corcho (un mal conductor de! calor), en el interior de un recipiente mayor, que sirve de protección contra los cambios en la temperatura exterior. Normalmente, e! calorímetro se cierra con una tapadera que lleva un termómetro, esencial para todos los experimentos de medidas de calor. A través de la tapadera pasa también una varilla de cobre, con la que puede removerse el contenido de’, calorímetro.

Supongamos que queremos calcular el calor específico del aluminio por el método de las mezclas. Se pesa la muestra de aluminio, así como e! calorímetro vacío con su agitador. Luego se llena el calorímetro con agua hasta la mitad, y se pesa de nuevo, para calcular la masa de agua que contiene, por la diferencia entre las dos pesadas. El aluminio se calienta, sumergiéndolo en un vaso con agua en ebullición.

La temperatura de! agua hirviendo será la temperatura inicial del aluminio. Mientras se calienta el aluminio, se mide la temperatura del agua fría en el calorímetro. Luego, el aluminio caliente se transfiere muy rápidamente al calorímetro (procurando no llevar agua caliente con él).

El agua del calorímetro se agita, para igualar la temperatura del agua, y se anota la temperatura más alfa que alcance el termómetro. Antes de averiguar el calor específico (s) del aluminio, hay que realizar las siguientes medidas. Con ellas, y el calor específico del cobre y del agua, que son factores conocidos, no necesitamos más datos.

Masa del aluminio = 10 gr.
Masa del calorímetro vacío = 50 gr.
Masa del agua en el calorímetro = 80 gr.
Temperatura Inicial del aluminio = 99,5° C.
Temperatura inicial del calorímetro = 17,5° C.
Temperatura final del aluminio y del calorímetro = 19,5° C.
Calor específico del cobre = 0,09 cal./gr./° C.
Calor específico del agua = 1 cal./gr./° C.

Utilizando estos datos, se hacen los siguientes cálculos:
Disminución de temperatura de los 10 gr. de aluminio = 99,5—19,5 = 80°C.

Por tanto, e! calor perdido por el aluminio es Q= m .c. ▲T = 10 . s . 80 — = 800 x s calorías.

Elevación de temperatura de! calorímetro de cobre = 19,5 – 17,5 = 2°C.

Por lo tanto, la cantidad de calor Q ganada por e! calorímetro es: Q=m. s. ▲T=50 . 0,09 X 2 = 9 calorías.

Como la elevación de temperatura de! agua del calorímetro es también 19,5— 17,5 = 2°C, la cantidad de calor ganada por 80 gr. de agua es Q=m. s. ▲T = 80 . 1 . 2 = 160 calorías.

Así, la cantidad total de calor ganada por el agua y el calorímetro es de 160 + 9 = 169 calorías.

Ahora bien, las 800 X s calorías perdidas por el aluminio son iguales a las 169 cal. que ganan el agua y el calorímetro. Luego 800 X s = 169.

Dividiendo ambos miembros de la ecuación por 800, tenemos:

Calor específico del aluminio s = 169/800 = 0,21 cal./gr./° C

Fuente Consultada:
Revista TECNIRAMA N° 54
FÍSICA I
RESNIK-HOLLIDAY
Elementos de Física y Química Maiztegui-Sabato
Enciclopedia del Estudiante Tomo 7 Físico-Química