Física Estadística y Termodinámica |
Termodinámica
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Concepto de temperatura | |||||||||||||||||||||||||||||
Concepto de temperatura
Concepto de calor
Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande. Decimos que una cantidad de calor DQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.
DQ=C·DT Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan Si TA>TB
Como DQA+DQB=0 La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa m del calor específico c y del cambio de temperatura. DQ=m·c·(Tf-Ti) donde Tf es la temperatura final y Ti es la temperatura inicial. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura. Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías. El calor específico del agua es c=1 cal/(g ºC). Hay que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.
Fundamentos físicosCuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero. Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg ºK). La unidad de calor específico que más se usa es cal/(g ºC) sin embargo, debemos de ir acostumbrándonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de Medida, y expresar el calor específico en J/(kg ºK). El factor de conversión es 4186.
Fuente: Manual de Física, Koshkin, Shirkévich. Editorial Mir, pág 74-75 La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula Q=m·c·(Tf-Ti) Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final
La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto, convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador. Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y sea
Por otra parte: Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T. En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación. (M+mc·cc+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(Te-T)=0 La capacidad del calorímetro dada por k=mc·cc+mt·ct+ma·ca se le denomina equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua. Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro, y es una constante para cada calorímetro. El calor específico desconocido del será por tanto
En esta fórmula tenemos una cantidad desconocida k, que debemos determinar experimentalmente.
Determinación del equivalente en agua del calorímetro
Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación se vierten m gramos de agua a la temperatura T. Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te. Como el calorímetro es un sistema adibáticamente asilado tendremos que (M+k)(Te-T0)+m(Te-T)=0
Determinación del calor específico del sólido
Se pesa una pieza de material sólido de calor específico c desconocido, con una balanza, resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T. Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación, se deposita la pieza de sólido rápidamente en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te. Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado.
La experiencia real se debe realizar con mucho cuidado, si queremos realizar una medida bastante precisa del calor específico hemos de tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera y que viene expresadas por la denominada ley del enfriamiento de Newton.
Actividades
El programa interactivo genera el equivalente en agua del calorímetro, un número al azar comprendido entre 20 y 50 g. Introducimos los siguientes datos:
Se pulsa el botón titulado Preparar, los termómetros y las escalas graduadas de medida del volumen de agua reflejan los valores introducidos. Si estamos conformes con los datos introducidos, se pulsa el botón titulado Calcular. La masa m de agua se vierte en el calorímetro, y en su termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te. Ejemplo:
El equivalente en agua del calorímetro será
Introducimos los siguientes datos:
Se pulsa el botón titulado Preparar. Si estamos conformes con los datos introducidos, se pulsa el botón titulado Calcular. El sólido se introduce en el calorímetro, y en su termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te. Ejemplo:
Comparamos el resultado obtenido con el proporcionado por el programa interactivo al pulsar el botón titulado Respuesta. |
Calor específico
de un sólido
