F - S10 - Calorimetría - Cambio de Fase
F - S10 - Calorimetría - Cambio de Fase
F - S10 - Calorimetría - Cambio de Fase
En los sistemas actuales, la importancia del calor, de la temperatura y su propagacin son evaluadas muy intensamente.
Por ejemplo la radiacin que producen los cuerpos negros.
CALORIMETRA
DEFINICIN
B: cuerpo frio
"Calor es la energa que se transmite de un cuerpo a
otro, en virtud nicam ente de una diferencia
temperatura entre ellos".
177
10
TEMA
A cademias P amer
Exigimos ms!
Equivalencia:
1 cal
= 4,2 Joules
Q m. Ce . T
Regla prctica
Cuando una sustancia recibe o cede una cierta cantidad
de calor, se representa del siguiente modo:
Q1
Q2
EM Q
Si la energa mecnica (EM) se mide en "Joules" y la
cantidad de calor en caloras entonces la equivalencia es:
1 calora = 4,2 Joules
10 C
Sustancia
Agua
Hielo
Vapor de agua
Aluminio
Vidrio
Hierro
Latn
Cobre
Plata
Mercurio
Plomo
unidades:
cal J
,
C C
A. Conduccin
IDEAS FUERZA
10
FSICA
IDEAS FUERZA
TEMA
C.e (cal/g C)
1,00
0,50
0,50
0,22
0,20
0,11
0,094
0,093
0,056
0,033
0,031
Ce
60 C
30 C
A cademias Pamer
Exigimos ms!
Aislante trmico
VI.EQUILIBRIO TRMICO
B. Conveccin
Cuando un recipiente conteniendo agua es colocado
sobre una flama, la capa de agua del fondo recibe
calor por conduccin. Por consiguiente, el volumen
de esta capa aumenta, y por tanto su densidad
disminuye, haciendo que se desplace hacia la parte
superior del recipiente para ser reemplazada por agua
ms fria y ms densa, proveniente de tal regin
superior. El proceso contina, con una circulacin
continua de masas de agua ms calientes hacia arriba,
y de masa de agua ms fria hacia abajo, movimientos
que se denominan "corrientes de conveccin".
Suponga que un cuerpo caliente (una lmpara
elctrica por ejemplo) se coloca en el interior de
una campana de vidrio, donde se hace el vaco. Un
termmetro, situado en el exterior de la campana,
indicar una elevacin de temperatura, mostrando
que existe transmisin de calor a travs del vacio
que hay entre el cuerpo caliente y el exterior.
Evidentemente, esta transmicin no pudo haberse
efectuado por conduccin ni por conveccin. En este
caso,
la
transmisin
del calor se
Corriente de
conveccin
llev a cabo
mediante
En el interior del lquido se
o t r o
p ro d u c e u n f l u j o d e
proceso,
molculas debido a la
diferencia de densidades, el
denominado
agua caliente es menos
"r ad i a ci n
densa que el agua fra.
trmica". El
calor que
SAN MARCOS REGULAR 2009 - III
TA
A
Q=0
TB
Q
TA > TB
Antes
Te
Te
Despus
Propagacin en el vaco
179
ca
lo r
vaco
10
TEMA
A cademias P amer
Exigimos ms!
VII.TEOREMA FUNDAMENTAL DE LA
CALORIMETRIA
Calormetro de
mezclas
Es aquel recipiente
cerrado y aislado
trmicamente que
se
utili za
para
determinar el calor
especfic o de los
cuerpos ( lquido,
slido, gas).
Termmetro
IDEAS FUERZA
Se recomienda que, la cantidad de calor sensible
tenga mdulo positivo, para que esto ocurra la
variacin de temperatura debe ser positivo.
Agua
T Tmayor Tmenor
Slido
Aislante trmico
CAMBIO DE FASE
DEFINICIN
Es un proceso en que una sustancia experimenta un
reordenamiento de sus tomos y molculas adoptando
nuevas propiedades.
Es un hecho bien conocido que en la naturaleza las
sustancias se presentan en tres fases diferentes,
denominadas "fase slida, fase lquida y fase gaseosa". La
presin y la temperatura a las que una sustancia es sometida,
determinarn la fase en la cual pueda presentarse.
Cuando una sustancia pasa de una fase a otra, decimos
que sufre un "cambio de fase".
B. Lquido
Los tomos de una sustancia lquida estn ms alejados
unos de otros, en comparacin con los de un "slido", y
por consiguiente, las fuerzas de cohesin que existen
entre ellos son ms dbiles. As, el movimiento de
vibracin de los tomos se hace con ms libertad,
permitiendo que experimenten pequeas traslaciones
en el interior del lquido. A ello se debe que los lquidos
pueden escurrir o fluir con notable facilidad, no ofrecen
resistencia a la penetracin, y toman la forma del
recipiente donde se hallan contenidos.
A. Slido
En esta fase, los tomos de la sustancia se encuentran
muy cerca unos de otros y unidos por fuerzas elctricas
relativamente intensas. Tales corpsculos no sufren
traslacin en el slido, pero que se encuentran en
constante movimiento de vibracin (agitacin trmica)
alrededor de una posicin media de equilibrio. Debido a la
fuerte ligacin o unin entre los tomos, los slidos poseen
algunas caracteristicas, como el hecho de presentar forma
propia y de ofrecer cierta resistencia a las deformaciones.
Modelo de la
estructura interna
de un slido (cristal),
observe la organizacin
y la separacin de
las molculas
10
TEMA
FSICA
IDEAS FUERZA
Modelo de la estructura
interna de un lquido (cristal),
observe la organizacin y la
separacin de las molculas.
C. Gas
Los tomos o molculas de una sustancia en estado
gaseoso, estn separados una distancia mucho mayor
que en los slidos y en los lquidos, siendo prcticamente
nula la fuerza de cohesin entre dichas partculas. Por
este motivo se mueven libremente en todas las
direcciones, haciendo que los gases no presenten una
forma definitiva y ocupen siempre el volumen total del
recipiente donde se hallan contenidos.
180
A cademias Pamer
IDEAS FUERZA
IDEAS FUERZA
El trnsito de una sustancia de una fase a otra se
denomina cambio de fase.
Modelo de la estructura
interna de un gas (cristal),
observe la organizacin y la
separacin de las molculas.
VAPORIZACIN
El cambio de fase lquido a gaseoso puede producirse de
dos maneras
PROCESOS
A)Fusin: cambio de slido a lquido.
B) Solidificacin: cambio de lquido a slido.
C) Vaporizacin: cambio de lquido a Gas.
D)Condensacin: cambio de gas a lquido.
E) Sublimacin Directa: cambio de slido a gas, sin pasar
por la fase lquida.
F) Sublimacin Inversa: cambio de gas a slido, sin pasar
por la fase lquida.
CAMBIO DE FASE
Cuando entregamos energa calorfica a un cuerpo y se eleva
su temperatura, ya sabemos que hay un aumento en la
energa de agitacin de sus tomos. Este incremento hace
que la fuerza de cohesin de los tomos se altere, pudiendo
ocasionar modificaciones en su organizacin y separacin.
Es decir, la absorcin de energa calorfica por parte de un
cuerpo, puede provocar en l un cambio de fase.
Durante el cambio de fase la sustancia experimenta un
reordenamiento de sus tomos y molculas, adoptando
nuevas propiedades y perdiendo otras. El cambio de fase
de una sustancia se realiza a una determinada condicin de
presin y temperatura constante.
LEYES DE LA EBULLICIN
1. A determinada presin, la temperatura a la cual se
produce la ebullicin (punto de ebullicin) es especifica
para cada sustancia.
Sustancia
Puntos de
fusin
y calor
latente de
fusin a 1
atm de
presin
Platino
Plata
Plomo
Azufre
Agua
Mercurio
Alcohol etlico
Nitrgeno
La rapidez de
evaporizacin
de un liquido
es mayor
cuanto ms
grande sea el
rea de su
superficie
libre.
LEYES DE LA FUSIN
1. A una presin dada, la temperatura a la cual se produce
la fusin (punto de fusin) tiene un valor determinado
para cada sustancia.
2. Si un slido se encuentra a su temperatura de fusin es
necesario proporcionales calor para que produzca su
cambio de fase. La cantidad de calor que debe
suministrrsele por unidad de masa, se denomina "calor
latente de fusin", el cual es caracterstico de cada
sustancia.
3. Durante la fusin, la temperatura del slido permanece
constante. Esto significa que el calor que se suministra
al slido, se emplea para el rompimiento de la red
cristalina.
SAN MARCOS REGULAR 2009 - III
Exigimos ms!
T(C) L(cal/g)
1775
961
327
119
0
39
115
210
27
21
5,8
13
80
2,8
25
6,1
INFLUENCIA DE LA PRESIN EN LA
T EM P E RAT UR A D E EB ULL I C IN
Cualquier sustancia al vaporizarse aumenta su volumen. Por
este motivo, un incremento en la presin ocasiona un
aumento en la temperatura de ebullicin, pues una presin
ms elevada tiende a dificultar la vaporizacin.
181
FSICA
10
TEMA
A cademias P amer
Exigimos ms!
CALOR LATENTE
Q
cal J
unidades:
;
m
g kg
DIAGRAMA DE FASES
cal
kJ
340
g
kg
cal
kJ
2300
g
kg
P
Fusin
S
T
Sublimacin
T(C) L(cal/g)
357
184
100
78
59
196
269
Te=100 C
P = 1 atm
Calor
65
24
540
204
44
48
6
Agua
Te=120 C
P = 2 atm
10
FSICA
V
T
Sublimacin
V
T
Calor
TEMA
Condensacin
Condiciones de Saturacin
Temperatura de ebullicin
Agua
S
Vaporizacin
Puntos de
Ebullicin
y calor
latente de
vaporizacin
a 1atm de
presin
Solidificacin
L
182
A cademias Pamer
Problema 1
Calcular la cantidad de calor que recibi
calentarla en 600C. El "Ce" del auro
Problema 2
Un slido uniforme se divide en dos
partes de masa m1 y m2 . Si ambas
partes reciben la misma cantidad del
A) 280kcal
B) 390kcal C) 360kcal
D) 250kcal
E) 380kcal
Resolucin
tradicionales, sino las que actualmente
se usan:
Q = m Ce. T
m1
A) m 2
2
m1
D) m 3
2
m1
m2
B) m 4 C) m 3
2
1
m2
E) m 2
1
Resolucin
NIVEL I
1. Indicar verdadero (V) o falso (F)
segn corresponda:
I. El calor es la energa que fluye
espontneamente del cuerpo
de mayor tem peratura al
cuerpo
de
menor
temperatura.
II. La unidad de calor en el S.I.
de Joule.
III. El calor especfico de una
sustancia es la cantidad de
energa que debe aadirse a
una unidad de masa para que
su temperatura se incremente
en una unidad.
A) VVF
B) VFV
C) FVV
D) VVV
E) VFF
SAN MARCOS REGULAR 2009 - III
m1
Respuesta: D) m 3
2
Problema 3
Cunto calor sera necesario para
vaporizar 200g de agua a 100C?
San Marcos 2004
Nivel fcil
A) 103kcal
D) 105kcal
B) 106kcal C) 102kcal
E) 108kcal
m = 200gH2O
m Q
1
1
m
m2 Q2
Q 360 kcal
m1
3
m2
Resolucin
Por dato Q1 = Q2
m1Ce(1) = m2Ce(3)
Nivel fcil
Exigimos ms!
Ce = 1 cal/gC
Q = m1; L V = 540
Q = 200 . 540
Q = 108 kcal
cal
g
A) 8125 cal
C) 8025 cal
E) 9025 cal
B) 7025 cal
D) 7225 cal
NIVEL II
5. Por un alambre de cobre de 165 g
de masa pasa una corriente
elctrica durante un corto tiempo,
elevando su temperatura de 23C
a 43C. Qu cantidad de energa
es transferida por la corriente
elctrica? (CeCu = 390 J/kg.K)
FSICA
10
TEMA
A cademias P amer
A) 1312 J
C) 1532 J
E) 1287 J
Exigimos ms!
B) 1416 J
D) 1618 J
A) 30C
D) 40C
9.
B) 32C
E) 42C
C) 36C
Un calormetro de 50 g de masa y
calor especfico 0,18 cal/(gC) se
encuentra a 20C. Si se colocan 200 g
de agua a 60C, cu es la temperatura de equilibrio trmico?
A) 46,8C
B) 48,2C
C) 52,3C
D) 58,2C
E) 56,4C
A) 22 kcal
C) 28 kcal
E) 16 kcal
B) 26 kcal
D) 30 kcal
NIVEL III
13. Si queremos vaporizar totalmente
400 g de agua que se encuentran
a 60C, cuntas caloras se necesitar?
A) 16 kcal
B) 208 kcal
C) 216 kcal
D) 232 kcal
E) 432 kcal
14. Cuntas caloras se necesitan para
fusionar totalmente 60 g de hielo
que se encuentra a 0C?
A) 4,2 kcal
B) 4,8 kcal
C) 7,2 kcal
D) 6,4 kcal
E) 3,0 kcal
15. Una sustancia tiene como calor
latente de fusin 150 cal/g y
temperatura de fusin 70C y
calor especfico 2 cal/gC. Si
tenemos 400 g de esta sustancia
a 10C en fase slida, cuntas
c a lo r as s e n e c es i t ar pa r a
fusionarla totalmente?
A)
B)
C)
D)
E)
96 kcal
80 kcal
64 kcal
112 kcal
108 kcal
_______________.
2. En el Sistema Internacional (S. I.) la unidad de calor
es: _________________.
_____________________.
cada sustancia
_______________________________________
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TEMA
FSICA
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