Calor y primera ley de la termodinamica

Unidad VIII. Calor y primera ley de la termodinámica

ENERGÍA INTERNA Y CALOR INTRODUCCIÓN Una vez que el concepto de energía se amplió para incluir la energía interna, la ley de la conservación de la energía surgió como una nueva ley universal de la naturaleza. ENERGÍA INTERNA La energía interna es toda aquella energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos –átomos ymoléculas- cuando se visualiza desde un marco de referencia en reposo con respecto al objeto. CALOR El calor se define como la transferencia de energía a través de las fronteras de un sistema debido a diferencias de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Unidad: Caloría (cal) y BTU. 1 BTU = 252 cal Tanto el calor como el trabajo son formas de intercambiar energía de un sistema. Son dosmedios de transferencia de energía no la energía en sí. EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR Experimento de Joule
1 cal = 4,186 J

(8.1)

Ejemplo 8.1 [1] Un estudiante cena una cantidad especificada en 2000 calorías (alimentos). Desea realizar una cantidad equivalente de trabajo en el gimnasio levantando una masa de 50,0 kg. ¿Cuántas veces debe levantar la masa para consumir esta gran cantidad deenergía? Suponga que en cada levantamiento la pesa recorre una distancia de de 2,00 m y que no vuelve a ganar energía cuando la deja caer al suelo.

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CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO CAPACIDAD CALORÍFICA (C) La capacidad calorífica de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de energía necesaria para aumentarla temperatura de esa muestra en 1ºC. Q C= (8.2) ΔT A partir de esta definición se ve que si el calor Q produce un cambio ΔT de temperatura en una sustancia, entonces
Q = C ΔT

(8.3)

CALOR ESPECÍFICO (c) El calor específico de una sustancia es la cantidad calorífica por unidad de masa. C c= (8.4) m Así pues, si la energía Q transferida por calor a una masa m de una sustancia cambia latemperatura de la muestra en ΔT, en ese caso el calor específico de la sustancia es

c=

Q mΔT

(8.5)

De acuerdo a esta definición se puede expresar la energía Q transferida por calor entre una muestra de masa m de un material y sus alrededores para un cambio en la temperatura ΔT, como
Q = m c ΔT

(8.6)

El calor específico es en esencia una medida de cuán térmicamente insensible es unasustancia a la adición de energía. Cuanto mayor sea el calor específico de un material, más energía deberá añadirse para provocar un cambio en su temperatura.

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CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. CALORIMETRÍA En calorimetría, la conservación de la energía permite escribir la ecuación

Q frio = −Qcaliente(8.6)

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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. CALORIMETRÍA Ejemplo 8.2 [1] Un lingote metálico de 0,0500 kg se calienta hasta 200,0ºC y luego se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0,400 kg de agua inicialmente a 20,0ºC. Si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22,4ºC, encuentre el calor específico del metal.Ejemplo 8.3 [1] Un vaquero dispara una bala de plata de 2,00 g de masa con una velocidad de orificio de 200 m/s contra una pared de madera de pino de una cantina. Suponga que toda la energía interna generada por el impacto se queda en la bala. ¿Cuál es el cambio de temperatura de la bala?

CALOR LATENTE Si se requiere transferir una cantidad Q de energía para cambiar la fase de una masa m de unasustancia, se define el calor latente L, como

L=

Q m

(8.7)

A partir de la definición, y eligiendo el calor como el mecanismo de transferencia de energía, se encuentra que la energía necesaria para cambiar la fase de una masa dada m de una sustancia pura es
Q = mL

(8.8)

El valor de L depende de la naturaleza del cambio de fase. Lf Lv calor latente de fusión calor latente de...