Objetivo del tema: Resolver problemas de calorimetría, cambio de fase, dilatación y máquinas térmicas aplicando \( Q=mc\Delta T \), \( Q=mL \), la primera ley \( \Delta U=Q-W \) y la eficiencia, con el enfoque térmico del cuerpo humano que evalúa el examen de CMB.
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Temperatura, calor específico y dilatación

TEMPERATURA es la medida de la energía cinética PROMEDIO de las partículas: es intensiva, no depende de cuánta materia haya. CALOR es energía en tránsito que pasa del cuerpo caliente al frío mientras exista diferencia de temperatura; se mide en joules o calorías. Un cuerpo NO 'tiene' calor: tiene energía interna. Por eso el organismo, que se mantiene cerca de 37 °C, no almacena calor sino que lo produce (metabolismo) y lo cede al ambiente.

TK=TC+273.15TF=95TC+32TC=59(TF32)T_K = T_C + 273.15 \qquad T_F = \tfrac{9}{5}\,T_C + 32 \qquad T_C = \tfrac{5}{9}\,(T_F - 32)

El CALOR ESPECÍFICO c es el calor que necesita 1 kg de sustancia para subir 1 °C. La CAPACIDAD CALORÍFICA C es la del cuerpo completo: depende de la masa. Ojo con la diferencia, el IPN la pregunta en el mismo reactivo.

Q=mcΔTC=mc=QΔTΔT=TfTiQ = m\,c\,\Delta T \qquad C = m\,c = \frac{Q}{\Delta T} \qquad \Delta T = T_f - T_i
Sustanciac [J/(kg·°C)]α lineal [°C⁻¹]
Agua líquida4 186
Hielo2 0905.1 × 10⁻⁵
Cuerpo humano (promedio)3 470
Aluminio9002.4 × 10⁻⁵
Vidrio8409.0 × 10⁻⁶
Acero4601.2 × 10⁻⁵
Mercurio140γ = 1.8 × 10⁻⁴

EJEMPLO RESUELTO (equilibrio térmico). Se sumergen 0.20 kg de aluminio a 100 °C en 0.50 kg de agua a 20 °C, en un calorímetro aislado. ¿Cuál es la temperatura final?
1) El calor que cede el metal es el que absorbe el agua: mAlcAl(100T)=maca(T20) m_{Al}c_{Al}(100-T) = m_{a}c_{a}(T-20) .
2) Sustituyendo: (0.20)(900)(100T)=(0.50)(4186)(T20) (0.20)(900)(100-T) = (0.50)(4186)(T-20) 180(100T)=2093(T20) 180(100-T) = 2093(T-20) .
3) 18000180T=2093T41860 18\,000 - 180T = 2093T - 41\,860 59860=2273T 59\,860 = 2273\,T T26.3 C T \approx 26.3\ ^\circ C .
El agua sube sólo 6 °C aunque el metal baje 74 °C: su calor específico es casi cinco veces mayor y además hay más masa.

DILATACIÓN. Al calentarse, los cuerpos aumentan sus dimensiones. Hay tres versiones de la misma ley y en las tres el incremento es proporcional a la dimensión inicial y a ΔT.

ΔL=αL0ΔTΔA=2αA0ΔTΔV=γV0ΔT,    γ=3α\Delta L = \alpha L_0 \Delta T \qquad \Delta A = 2\alpha A_0 \Delta T \qquad \Delta V = \gamma V_0 \Delta T,\;\; \gamma = 3\alpha

EJEMPLO RESUELTO (dilatación). Una varilla de aluminio mide 2.00 m a 20 °C y se calienta hasta 120 °C. ¿Cuánto se alarga?
1) ΔT=12020=100 C \Delta T = 120 - 20 = 100\ ^\circ C . En dilatación ΔT vale igual en °C que en K, así que aquí NO hay que convertir a kelvin.
2) ΔL=αL0ΔT=(2.4×105)(2.00)(100)=4.8×103 m=4.8 mm \Delta L = \alpha L_0 \Delta T = (2.4\times10^{-5})(2.00)(100) = 4.8\times10^{-3}\ m = 4.8\ mm .
3) La longitud final es L=L0+ΔL=2.0048 m L = L_0 + \Delta L = 2.0048\ m : fíjate en que la fórmula da el INCREMENTO, no la medida final.
Si el problema hablara del volumen de esa misma varilla o de la capacidad de un recipiente, sólo cambia el coeficiente: γ=3α=7.2×105 C1 \gamma = 3\alpha = 7.2\times10^{-5}\ ^\circ C^{-1} . Usar α donde va γ es el distractor clásico. Así funciona el termómetro clínico: el mercurio se dilata unas siete veces más que el vidrio que lo encierra (γHg=1.8×104 \gamma_{Hg}=1.8\times10^{-4} contra γvidrio=3(9×106)=2.7×105 \gamma_{vidrio}=3(9\times10^{-6})=2.7\times10^{-5} ), y ese exceso es el que sube por el capilar.

El calor específico del agua es de los más altos que existen. Como el cuerpo humano es ~65 % agua, absorbe mucha energía con muy poco cambio de temperatura: ésa es la base física de la estabilidad térmica del organismo.

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