FÍsica y química 1º bachillerato tema 7 energía térmica y calor
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FÍSICA Y QUÍMICA 1º BACHILLERATOTEMA 7ENERGÍA TÉRMICA Y CALOR1.- TEMPERATURA Y EQUILIBRIO QUÍMICO (leer en el libro de texto)  La figura anterior indica que los sentidos humanos no son fiables a la hora de estimar las temperaturas de los cuerpos, dado que en general recuerdan la temperatura anterior y falsean la percepción de la temperatura que queremos medir. Para medir las temperaturas de los cuerpos se utilizan los termómetros. Son aparatos que utilizan la propiedad de la dilatación de una columna de mercurio al aumentar la temperatura. Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto al cabo de un tiempo se alcanza el llamado equilibrio térmico entre ellos, es decir la temperatura es la misma para ambos cuerpos. Se puede definir entonces la temperatura como: “ La temperatura es la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico”. 2.- ESCALAS TERMOMÉTRICAS
Se puede pasar de una escala a otra aplicando la siguiente fórmula: 
Esta escala es la escala de temperatura en el S.I. Se emplea en las investigaciones científicas de Física y Química. Se puede pasar de a escala Centígrada a la escala Kelvin así : T(ºK) = T(ºC) + 273,16 Nota : Se puede tomar como : T(ºK) = T(ºC) + 273 Para calibrar los termómetros basados en las escalas termométricas anteriores se utilizan los siguientes puntos “fijos” : Temperatura de fusión del hielo (figura (a)) y temperatura de ebullición del agua (figura (b))   figura (a) figura (b) (Ver en el libro de texto) 3.- EL CONCEPTO DE TEMPERATURA SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA Leer en libro de texto  La teoría cinética establece que la temperatura de los cuerpos puede interpretarse A partir de la energía asociada a los movimientos de sus partículas (de traslación , vibración,....) A medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, el movimiento de las partículas se hace más rápido. Cuando la temperatura del cuerpo sea 0 º K, cesa el movimiento de cualquier partícula del mismo. Esta temperatura se denomina “cero absoluto “ de temperaturas porque marca el límite inferior de temperatura y que no se puede alcanzar. En el laboratorio se han alcanzado temperaturas del orden de 10-9 ºK pero no se alcanza el “cero absoluto” 4.- EL CALOR Y SU DETERMINACIÓN La cantidad de calor absorbida ( o cedida ) por un cuerpo de masa m cuando pasa de una temperatura inicial T0 a otra temperatura final Tf viene dada por la expresión : ce Q = m.ce.( Tf – T0) se denomina calor específico del cuerpo y suele ser dato del ejercicio. Importante ejercicio resuelto de mezclas y cálculo de la temperatura final de la misma . Cuando un cuerpo de masa m1 y calor específico ce1, que se encuentra a una temperatura t1 se pone en contacto con otro cuerpo de masa m2 de calor específico ce2 y temperatura t2 ( t2 > t1), entonces ocurre lo siguiente:
m1. c1 .( tf – t1 ) = m2 . c2 . (t2 – tf ) 5.- MECANISMOS DE PROPAGACIÓN DEL CALOR Se conocen tres mecanismos principales:
T1 T2 T 
Esta forma de propagación del calor se produce entre cuerpos líquidos o gaseosos como consecuencia de la diferencia de temperatura existente. Aparecen movimientos de materia (gas o líquido) desde las zonas de temperatura superior hacia las de temperatura inferior originando las llamadas corrientes de convección 
En la radiación, el calor (energía calorífica) se propaga sin soporte material alguno. La transmisión se lleva a cabo por medio de ondas: las llamadas ondas electromagnéticas Por ejemplo la energía procedente del Sol, que llega a la Tierra lo hace siguiendo este mecanismo de radiación ( dado que entre el Sol y la Tierra no hay materia y por tanto no puede haber ni conducción ni convección). (Leer en el libro de texto) 6.- LOS EFECTOS DE CALENTAR LA MATERIA
“El incremento de temperatura de un cuerpo provoca una dilatación, debido a la mayor movilidad de sus moléculas”. Dilatación lineal  Si un cuerpo que tiene una longitud inicial L0 e incrementa su temperatura en  TSu nueva longitud L, se calcula a partir de la siguiente expresión: L = L0.(1 + l.DT) Donde  es un coeficiente denominado coeficiente de dilatación lineal del material que se trate y suele ser dato.Fórmulas análogas tienen las dilataciones superficiales y cúbica ( ver fórmulas en el libro de texto)
 Los cambios de estado verifican las siguientes leyes :
“El calor latente de cambio de estado, L, de un cuerpo es la cantidad de energía que necesita una unidad de masa de dicho cuerpo para cambiar de estado.” Si tenemos una masa m, se cumplirá : Q = m.L Siendo Q la energía calorífica para que una masa m, del cuerpo cambie de estado. Los calores latentes más utilizados son :
7.- PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA “ Los intercambios de energía que un sistema realiza con su entorno (mediante calor y/o trabajo) producen variaciones en su energía interna” Matemáticamente el Primer Principio de la termodinámica se expresa así :  = Q + TDonde es la variación de la energía interna del sistema, Q es el calor absorbido o cedido y T es el trabajo realizado por o sobre el sistemaA la hora de aplicar la expresión anterior hay que tener en cuenta el criterio de signos que se indica en el esquema siguiente:  8.- EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA “No se puede construir una máquina térmica que tomando energía mediante calor de un solo foco, sea capaz de intercambiarla íntegramente en trabajo”  Una máquina térmica toma una cantidad de energía calorífica Q1 de un foco a una temperatura T1 y desprende una cantidad de energía menor Q2 a otro foco que está a temperatura T2. La diferencia T = Q1 – Q2 se intercambia como trabajo mecánico y el 2º Principio de la Termodinámica indica que esa cantidad es siempre menor que Q1 (nunca es igual) La parte de la energía que se aprovecha se expresa mediante el rendimiento   =  El rendimiento expresa el porcentaje de la energía total que se intercambia como trabajoPáginas Web interesantes que pueden ayudar al estudio del tema: http://www.colegioheidelberg.com/deps/fisicaquimica/applets/energia/equilibriotermico.swf Se muestra el concepto de temperatura de equilibrio al poner en contacto un cuerpo caliente con otro frío http://www.visionlearning.com/library/modulo_espanol.php?mid=48&l=s&c3= Excelente página web para entender el concepto de temperatura, y las distintas escalas termométricas (Fahrenheit, Celsius y Kelvin). Se comparan las tres escalas anteriores con un esquema muy didáctico http://eo.ucar.edu/skymath/acerca.html#definicion En esta página Web se hace un repaso teórico muy completo a los conceptos de temperatura, termómetros y las distintas escalas de temperatura, diferencia entre calor y temperatura y teoría cinética de los gases http://www.educaplus.org/index.php?option=com_content&task=view&id=65&Itemid=33 En esta simulación se visualizan las tres escalas de temperatura, Celsius, Fahrenheit y Kelvin con las fórmulas que las relacionan. Se pueden ver también los valores de los puntos fijos de fusión del hielo y vaporización del agua en las tres escalas http://www.ibercajalav.net/ Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre” De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir: Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 2 Simulación para aplicar la fórmula del calor comunicado a una cantidad de agua para que eleve su temperatura un valor T : Q = m.ce .T http://www.ibercajalav.net/ Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre” De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir: Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 3 Simulación para comprobar que el tipo de material que calentemos depende en la temperatura final que obtengamos para una misma cantidad de calor suministrado http://www.ibercajalav.net/ Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre” De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir: Calor – cambio de Temperatura – Ejercicio 3 Se aprecia cómo influye el tipo de material en el cambio de temperatura que puede experimentar http://www.ibercajalav.net/ Para ver las simulaciones hay que entrar donde indica: ”acceso libre” De todas las simulaciones que aparecen en pantalla, hay que elegir: Calor – Cambio de estado – Ejercicio 1 Se presenta la gráfica Temperatura – Calor (absorbido) en el agua cuando experimenta un cambio de estado (paso de líquido a vapor) http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/fisicayquimica/lentiscal/1-lecciones/Q2/2-3-Termoquim/lecciones/lecciondecalorespecifico/ttransferenciacalorentremetalyagua.htm En esta simulación se presenta una mezcla de un metal (cobre, oro, plata...) con agua, ambos a distinta temperatura. Aplicando la ley de las mezclas se pretende calcular el calor específico del metal. Además, a partir de la gráfica T – t se puede obtener la temperatura final de la mezcla. http://www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/dilatacion-solidos.html?x=20070924klpcnafyq_289.Kes&ap=0 Pagina Web en la que se explican las dilataciones lineal, superficial y de volumen http://lectura.ilce.edu.mx:3000/biblioteca/sites/telesec/curso1/htmlb/sec_124.html Transmisión del calor por conducción, convección y radiación EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIONTEMA 7CALOR Y TEMPERATURA
a) 2,13 ºF ; b) 268 ºK ; c) 70 ºF
Dato: ce (hierro) = 500 J/kg.ºK
Coeficiente de dilatación lineal del Cu : lCu = 16,7x10-6 ºK –1
b) Desde este estado, el calor necesario para fundir totalmente el hielo, es decir pasar a agua a 0ºC c) Desde este estado, el calor necesario para pasar a agua a 100 ºC d) Desde este estado, el calor necesario para pasar totalmente al estado de vapor. Obtener en el las tablas que aparecen en el libro de texto, los datos que sean necesarios para resolver el ejercicio. 6) Hallar la temperatura final de una mezcla de 20 g de agua 15ºC y 30 g de agua a 50ºC Ce (agua) = 4180 J/kg.ºK
Ce (agua) = 4180 J/kg.ºK
b) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura, menor que la del más frío c) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura comprendida entre la de ambos. d) Los dos cuerpos alcanzarán la misma temperatura igual a la del cuerpo de mayor masa. Indicar, razonando la respuesta, cuál es la opción correcta
RESPUESTAS A LOS EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓNTEMA 7ENERGÍA TÉRMICAEjercicio nº 1 :
 Sustituyendo ºF = 2,13 se obtienen: -16,6 ºC
º K = ºC + 273,16 Sustituyendo ºK = 268 se obtienen: - 5,16 ºC
70 ºF serán : 21,11 ºC Ejercicio nº 2 :
se obtienen que 100 ºC equivalen a ºK = 100 ºC + 273,16 =: 373,16 ºK
Se obtiene que 273,16 ºC equivalen a : ºK = 273,16 ºC + 273,16 = 546,32 ºK
  Los 32,55 ºF corresponden a : 0,30 ºC Estos ºC corresponden a una temperatura en ºK que se obtiene a partir de : ºK = ºC + 273,16 ºK = 0,30 ºC + 273,16 = 273,46 ºK Ejercicio nº 3 : Aplicando la expresión Q = m.ce . T Esta expresión permite calcular el calor ganado (o cedido) por una sustancia de masa m (kg) de calor específico ce (J/kg.ºK) para que su temperatura varíe en T (ºK) Los datos que se conocen son : m = 100 g = 0,100 kg de hierro ce = 500 J/kg.ºK : calor específico del hierro T0 = 25 ºC = 298 ºK : temperatura inicial Tf = 200 ºC = 473 ºK : temperatura final T = Tf – T0 = 473 – 298 = 175 ºK : variación dela temperatura Sustituyendo valores, se obtiene : Q = 0,100 x 500 x 175 = 8750 J Ejercicio nº 4Solución : Aplicando la expresión : L = L0.(1 +.T) L : longitud final del hilo L0 : longitud inicial : coeficiente de dilatación lineal del hilo T : variación de la temperatura El ejercicio pide que se calcule la variación de longitud del hilo, es decir: L = L – L0 A partir de la expresión : L = L0.(1 +.T) se obtiene: L = L0 + L0 . .T Por consiguiente: L = L – L0 = L0. ..T Sustituyendo valores : L = L – L0 = L0..t = 3 x 16,7x10-6 x 100 = 0,005 m L = 0,005 m = 5 mm Ejercicio nº 5 :
Q1 = m.ce.T Q1 = m.ce.T =0,020x2100x10 = 420 J
Q2 = m.Lf Lf : calor latente de fusión del hielo Q2 = m.Lf =0,020x 3,35x105 = 6700 J
Q3 = m.ce.T Q3 = m.ce.t = 0,020x4180x100 = 8360 J
Siendo Lv : el calor latente de vaporización del agua Q4 = m.Lv = 0,020x 334,4x103 = 6688 J Calor total : QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 22168 J Ejercicio nº 6 : Si mezclamos 20 g de agua a 15 ºC (cuerpo frío) con 30 g de agua a 50 ºC (cuerpo caliente) pasa calor (energía) desde el agua caliente que está a 50 ºC hacia el agua fría a 15 ºC. Como resultado de este paso de calor, la temperatura del agua caliente bajará hasta un valor Tf y la del agua fría ascenderá hasta ese mismo valor . El valor de Tf indica la temperatura final de la mezcla y se calcula haciendo la siguiente ecuación: Calor ganado por el agua fría = Calor cedido por el agua caliente Para calcular el calor ganado y el calor cedido se aplica la expresión : Q = m.ce . T Calor ganado por el agua fría : Qganado = 0,020 x 4180 x ( Tf – 15) (*) Calor cedido por el agua caliente : Qcedido = 0,030 x 4180 x ( 50 – Tf) Nota : Hay que tener en cuenta que en esta última expresión se ha puesto (50 – Tf) en vez de (Tf – 50) para conseguir de esta forma que el calor sea positivo (al igual que el de la ecuación *) Igualando las dos expresiones anteriores : 0,020 x 4180 x ( Tf – 15) = 0,030 x 4180 x ( 50 – Tf) 0,020 x ( Tf – 15) = 0,030 x ( 50 – Tf) 0,020 Tf – 0,300 = 1,500 - 0,030 Tf 0,050 Tf = 1,800 Tf =  = 36 º CNota : Se han utilizado todas las temperaturas en º C, dado que el resultado obtenido sería el mismo que si se hubieran utilizado º K ( puede comprobarse) Ejercicio nº 7 : Si mezclamos en este caso, 100 litros (100 kg) de agua a 80 ºC (cuerpo caliente) con m kg (desconocido) de agua a 18 ºC (cuerpo frío) pasa calor (energía) desde el agua caliente que está a 80 ºC hacia el agua fría a 18 ºC. Como resultado de este paso de calor, nos dice el enunciado del ejercicio que la temperatura final de la mezcla se consigue a 30 ºC. En toda mezcla de cuerpos ( en este caso agua) a distinta temperatura se cumple : Calor ganado por el agua fría = Calor cedido por el agua caliente Para calcular el calor ganado y el calor cedido se aplica la expresión: Q = m.ce . T Calor ganado por el agua fría : Qganado = m x 4180 x ( 30 – 18) (*) Calor cedido por el agua caliente : Qcedido = 100 x 4180 x ( 80 – 18) Nota : Hay que tener en cuenta que en esta última expresión se ha puesto (80 –18) en vez de (18 – 80) para conseguir de esta forma que el calor sea positivo cedido (al igual que el de la ecuación *) Igualando las dos expresiones anteriores : m x 4180 x ( 30 – 18) = 100 x 4180 x ( 80 – 18) Simplificando : 12 . m = 6200 m =  = 416,66 kgLos 416,66 kg de agua corresponden también a 416,66 litros de agua Ejercicio nº 8 : Respuesta (a) : INCORRECTA, pues la temperatura final no puede ser mayor que la temperatura del cuerpo más caliente. Respuesta (b) : INCORRECTA , pues la temperatura no puede ser menor que la del cuerpo más frío . Respuesta ( c) : CORRECTA , pues la temperatura final siempre s encuentra entre la del más caliente y la del más frío. Respuesta (d) : INCORRECTA , pues la temperatura final de la mezcla siempre será distinta a la de los cuerpos que se mezclan, independientemente de su masa. Ejercicio nº 9 :El PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ( Ver libro de texto) , dice : “La variación de la ENERGÍA INTERNA ( U) de un sistema, es igual al calor Q suministrado (o desprendido) al sistema , más el trabajo realizado por ( o sobre ) el sistema” La ecuación que expresa este principio es: U = Q + T Hay que distinguir el siguiente criterio de signos: Si el calor Q es suministrado al sistema (entra al sistema) : Q > 0 Si el calor Q es desprendido por el sistema (sale del sistema) : Q < 0 Si se realiza Trabajo sobre el sistema: T > 0 Si el sistema realiza trabajo sobre su entorno: Q < 0 En el caso del enunciado: Si cede 2000 J de calor, entonces se considera negativo Si se realiza un trabajo de 3000 J en contra del sistema (sobre el sistema) entonces será positivo. Por consiguiente: U = Q + T = - 2000 + 3000 = + 1000 J Por consiguiente, al ser U positiva ( >0), nos indica que ha habido un aumento de energía interna del sistema. TEMA 7 : ENERGÍA TÉRMICA Y CALOREJERCICIOS PROPUESTOS DEL LIBRO DE TEXTO(Se indica la página del libro en la que se encuentra y el nº del ejercicio) Ejercicio nº 2 (pág 131) Ejercicio nº 4 (pág 133) Ejercicio nº 6 ( pág 133) Ejercicio nº 11 (pág 137) Ejercicio nº 12 (pág 137) Ejercicio nº 16 (pág 139) Ejercicio nº 17 (pág 144) Ejercicio nº 18 ( pág 144) Ejercicio nº 27 (pág 144) Ejercicio nº 31 (pág 144) Ejercicio nº 34 (pág 145) Ejercicio nº 40 (pág 145) Ejercicio nº 50 (pág 146) |
