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Calor

Unidad II

CALOR
3. CALOR
Se debe distinguir con claridad entre los conceptos de calor y energía interna de
una sustancia. La palabra calor solo debe usar cuando se describe la energía que
se transfiere de un lugar a otro. Es decir, el flujo de calor es una transferencia de
energía que se lleva a cabo como una consecuencia de las diferencias en la
temperatura únicamente. Porotro lado, la energía interna es la energía que tiene
una sustancia debido a su temperatura. La energía de un gas ideal está asociada
con el movimiento interno de sus átomos y moléculas. En otras palabras la energía
interna de un gas es esencialmente su energía cinética en una escala microscópica;
mientras más grande sea la temperatura del gas, más grande será su energía
interna.
El trabajorealizado sobre (o por) un sistema es una medida de la energía que se
transfiere entre el sistema y los alrededores, mientras que la energía mecánica
(cinética y/o potencial) es una consecuencia del movimiento y de las coordenadas
del sistema. Por lo tanto, cuando se hace trabajo sobre un sistema se trasfiere
energía a este. No tiene sentido hablar del trabajo de un sistema, solo se puede
referir uno altrabajo realizado por o sobre un sistema cuando ha ocurrido cierto
proceso en el cual el sistema cambia en alguna forma. De la misma manera, no
tiene sentido usar el término calor a menos que alguna de las variables
termodinámicas del sistema haya sufrido un cambio durante cierto proceso.
3.1 UNIDADES DEL CALOR
La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar
latemperatura de 1 g de agua de 14,5ºC a 15,5ºC.
La unidad de calor en el sistema inglés es la Unidad térmica Británica (BTU),
definida como la cantidad el calor necesario para elevar la temperatura de 1
lb de agua de 63ºF a 64ºF.
Dado que actualmente se reconoce al calor como una forma de energía, los
científicos están adoptando la unidad de energía para el calor del SI, el joule.
Algunas conversionesútiles entre las unidades de calorías utilizadas
comúnmente son las siguientes:
1 cal = 4,186J = 3,968x10-3 BTU
1 J = 0,2389 cal = 9,478x10-4 BTU
1 BTU = 1055 J = 252,0 cal = 778 ft.lb

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Calor

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3.2 EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Cuando se introdujo el concepto de la energía mecánica se encontró
que siempre está presente la fricción en un sistema mecánico, parte de
la energía mecánica sepierde o no se conserva. Diferentes
experimentos muestran que esa energía no desaparece simplemente,
sino que se transforma en energía térmica. Aunque la relación entre
energía térmica y la mecánica fueron sugeridas por primera vez por el
experimento de Thompson, fue Joule el primero en establecer la
equivalencia entre estas dos formas de energía.
En la figura 5 se muestra un diagrama delexperimento de Joule. El
sistema de interés consta de agua en un recipiente aislado
térmicamente. Se hace trabajo sobre el agua por medio de la rueda de
paletas que se hace girar al caer las pesas con una rapidez constante.
El agua, la cual es agitada por las paletas, se calienta debido a la
fricción entre esta y las paletas. Si se desprecia la energía que se pierde
en las poleas en los cojinetes y la queatraviesa las paredes del
recipiente, entonces la energía potencial que pierden las pesas al caer
es igual al trabajo realizado por la rueda de paletas sobre el agua.

Figura 5. Experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del
calor. Los bloques que caen hacen girar la rueda de paletas, lo que a su vez causa
el aumento de temperatura del agua. (Raymond A. Serway, 2008)

Si los dospesos caen una distancia h, la energía potencial que se pierde
es 2mgh, y esta es la energía que se utiliza para calentar el agua.
Variando las condiciones del experimento, Joule encontró que la energía
mecánica que se pierde, 2mgh, es proporcional al aumento de
temperatura en el agua, ・T. La constante de proporcionalidad (el calor
especifico del agua) se encontró que es igual a 4,18 J/gºC....