El calor y su intercambio entre los cuerpos

Mecanismos de transferencia de calor

Conducción

Es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.

Convección

Es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia.

Radiación

Es la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que exista contacto ni conexión por otro solido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas que emana todo cuerpo que este a mayor temperatura que el cero absoluto.

Capacidad calorífica y calor específico de las sustancias

Todas las sustancias necesitan absorber una cierta cantidad de calor para variar su temperatura. La cantidad de calor necesaria es única para cada sustancia y se determina por la variación de su temperatura. Esta cantidad de calor se conoce como capacidad calorífica la cual se expresa matemáticamente como:

Cuando la sustancia es la misma, la capacidad calorífica de la sustancia no cambia, pero pueden presentar diferentes masas, por lo cual cada una absorbe distinta cantidad de calor, es decir, la masa determina entonces la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura. Por tanto, si cada sustancia necesita cierta cantidad de calor por cada gramo de masa para hacer variar su temperatura un grado centígrado. Esta relación se conoce como calor especifico. La expresión matemática es:

Donde la capacidad calorífica (C) corresponde a la variación de calor entre la variación de temperatura, por lo tanto, sustituyendo C:

Como el calor específico es diferente y único para cada sustancia podemos despejar la ecuación para conocer la variación del calor:

Si conocemos la cantidad de calor, incluso podemos despejar para conocer la variación de la temperatura, o bien, la temperatura final o inicial durante el cambio; recordemos que:

Problema

Josue pretende calentar una olla de aluminio que tiene 800 g de masa y quiere saber que cantidad de calor necesita añadirle. Si la temperatura de la olla es de 20^o C y la calienta hasta 40^o C, ¿Cuánto calor necesita añadirle?

Calculamos la cantidad de calor a partir de la formula despejada:

Josué necesitara aplicar 3 360 calorías a 800 g de aluminio para alcanzar la temperatura de 40^o C.

Calor perdido y ganado por los cuerpos.

A escala ordinaria, el único efecto perceptible en un cuerpo, cuando se le calienta, es una elevación en su temperatura. Ocurre lo contrario cuando se le enfría, es decir, cuando sede parte de esa energía térmica a otro (u otros) cuerpo(s). De acuerdo con lo anterior, se considera que el calor es positivo o “ganado” por un cuerpo si la temperatura de dicho cuerpo aumenta, y lo contrario ( el calor se pierde) cuando la temperatura del cuerpo desciende.

Equilibrio térmico

Todos los cuerpos a estar a diferentes temperaturas pueden intercambiar el calor. El calor solo puede transmitirse del cuerpo más caliente al más frio, es decir del de mayor temperatura al de menos temperatura y la cantidad de masa influirá en este intercambio, ya que mientras más masa tenga un cuerpo, mayor cantidad de calor requiera para cambiar su temperatura.

La transferencia de calor comienza a nivel molecular debido a la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de agregación de la materia pero es mayor en los sólidos (metales), pero también en líquidos y gases.

Para explicar la expresión matemática resolveremos un ejercicio.

Rolando pretende preparar café, para ello pone a calentar 200 ml de agua en un recipiente, la temperatura que alcanza es de 90^oC. si pretende preparar un litro de café y la temperatura del agua fría es de 28^oC, ¿a que temperatura quedara la mezcla?.

a)    para resolver el ejercicio primero calcularemos la masa de agua en cada situación

para el agua caliente se tiene 200 ml, su densidad es de 1^o/cm³, si cada ml corresponde a un centímetro cubico, entonces tendremos:

masa del agua caliente: 200g

como se pretende preparar un litro, entonces deben colocarse 800 g de agua fría.

b)    Ahora calculamos la temperatura final.