Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 3. Calorimetría Guía 6. Calorimetría Calor específico 1) ¿Cuántas calorías ceden 50 kg de cobre al enfriarse desde 36 ºC hasta -4 °C? Rta.: -188 Kcal b) ¿Cuánto calor se necesita para transformar a vapor de agua sólo la mitad del hielo? Rta.: a) 641 Kcal. b) 321 Kcal 2) Un bloque de acero de 1,5 toneladas se calienta hasta absorber 1 800 Kcal. ¿A qué temperatura queda si estaba a 10 ºC? Rta.: 20ºC 11) Hallar el número de kilocalorías absorbidas por una heladera al enfriar 3 kg de agua a 15 °C y transformarlos en hielo a 0 °C. Rta.: -284 Kcal 3) ¿Cuántas calorías absorbe una barra de hierro cuando se calienta desde -4 ºC hasta 180 ºC, siendo su masa de 25 kg? Rta.: 520 Kcal 12) A 500 g de de cobre se le extraen 20 Kcal. Calcular la temperatura que alcanza si estaba a a) 500 ºC b) 1000 ºC c) 1083 ºC Rta.: a) 74,5 ºC b) 575ºC c) 316 ºC 4) ¿Qué masa tiene una plancha de cobre si cede 910 cal al enfriarse desde 192 ºC hasta -8 ºC? Rta.: 48,4 g 13) A 750 g de hielo se le agregan 70 Kcal. Calcular la temperatura que alcanza si estaba a a) -200 ºC b) -10 ºC c) -100 ºC Rta.: a) -13,3 ºC b) 8,67 ºC c) 0 ºC 5) ¿Cuántas calorías absorbe 3,4 kg de mercurio cuando se calienta desde -20 ºC hasta 30 ºC? Rta.: 5,61 Kcal 14) Calcular la cantidad de calor necesaria para transformar 10 g de hielo a 0 °C en vapor a 100 °C. Rta.: 7,20 Kcal 6) Para calentar 10,2 kg de mercurio que están a 5 ºC se absorben 6,6 Kcal. ¿A qué temperatura queda? Rta.: 24,6 ºC Flujo calórico 7) Se tienen 2,5 toneladas de hierro que ceden 2.200.000 cal al enfriarse desde 1000 ºC. ¿A qué temperatura queda? Rta.: 992 ºC 8) Se tienen 500 g de un trozo de cobre a 20 °C y se le agrega 10.000 cal. ¿Qué temperatura alcanza? Rta.: 233 ºC Cambios de estado 9) Hallar el calor que se debe extraer de 20 g de vapor de agua a 100 °C para condensarlo y enfriarlo hasta 20 °C. Rta.: -12,4 Kcal 10) Se tiene un trozo de hielo de 1 kg a una temperatura de -40 °C a) ¿Cuánto calor se necesita para transformarlo a vapor de agua? 15) Una placa de hierro de 2 m de espesor tiene una sección recta de 5.000 cm2. Una de las caras se halla a la temperatura de 150 ºC y la opuesta a 140 ºC. Calcular la cantidad de calor que se transmite por segundo. La conductividad térmica del hierro vale 0,115 cal/s·cm·ºC Sol. 28,75 cal/s 16) En una habitación hay una pared de ladrillos de 3 m de ancho, 2,75 m de alto y de 15 cm de espesor que da al exterior con una ventana de vidrio de 5 mm ( = 0, 44 cal / m·ºC·s) de 1,5 m de alto y 2 m de ancho. Dentro de la habitación se mantiene una temperatura de 22ºC mediante un sistema de calefacción, mientras que en el exterior la temperatura es de 15ºC. Calcular la cantidad de calor que se pierde por hora a través: a) de la ventana b) de la pared Rta: a) 6.653 Kcal b) 168 Kcal 17) Una ventana de cristal térmico ( = 0,014 cal / m·ºC·s) de 6 m2 de área esta constituido con dos hojas de vidrio, cada una de 4 mm de espesor separadas por un espacio Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 3. Calorimetría Guía 6. Calorimetría de aire de 5 mm. Si el interior está a 20 ºC y el exterior a –30 ºC, ¿cuál es la pérdida de calor a través de la ventana? Sol. 1,35 Kw 18) Una placa de hierro de 2 cm de espesor tiene un área de 5000 cm2 en su sección transversal. Una de las caras está a 150 °C y la otra está a 140°C. ¿Cuánto calor fluye a través de la placa en cada segundo? Rta: 20 kJ/s 19) Una placa de metal de 4mm de espesor tiene una diferencia de temperatura entre sus dos caras es de 32°C. Transmite una energía calorífica de 200 kcal/h a través de un área de 5 cm2. Calcular la conductividad térmica del metal. Rta: 58,05 W/m °C 20) ¿Cuánto calor fluye por hora a través de un vidrio ( = 0,84 W/m °C) de 80 cm x 80 cm x 3 mm si la temperatura del interior es 18°C y la exterior es 0°C? Rta: 2778 Kcal 21) ¿Qué diferencia de temperatura habrá entre las caras de un cubo de aluminio de 1 cm de lado si transmite 8 calorías por segundo? Rta: 16°C Tabla de coeficientes Sustancia Aceite de Oliva Acero Agua Alcohol Aluminio Antimonio Azufre Bronce Cadmio Carbón Mineral Carbón Vegetal Cinc Cobalto Cobre Cromo Estaño Éter etílico Glicerina Hierro Ladrillo Refractario Latón Mercurio Mica Naftalina Parafina Plata Platino Plomo Potasio Tolueno Vidrio Ce (cal/g·°C) 0,400 0,120 1,000 0,600 0,217 0,050 0,179 0,086 0,056 0,310 0,201 0,093 0,104 0,094 0,108 0,060 0,540 0,580 0,113 0,210 0,094 0,033 0,210 0,110 0,056 0,031 0,031 0,019 0,380 0,200 0,180 Sustancia Estado Agua Agua Agua Aire Alúmina Amoníaco Argón Arsénico Berilio Cera de parafina Etanol Gasolina Helio Hidrógeno Litio Magnesio MgO Neón Níquel Nitrógeno Oro Polipropileno Titanio Uranio Wolframio Gas líquido sólido Gas sólido líquido Gas sólido sólido sólido líquido líquido Gas Gas sólido sólido sólido Gas sólido Gas sólido sólido sólido sólido sólido Ce (J/g·°C) 2,08 4,1813 2,114 1,012 0,16 4,7 0,5203 0,328 1,82 2,5 2,44 2,22 5,1932 14,3 3,58 1,02 0,457 1,0301 0,444 1,04 0,1291 1,88 0,523 0,116 0,133 Material Acero Acero inoxidable Agua Aire Alcohol Alpaca Aluminio Amianto Bronce Cobre Corcho Estaño Fibra de vidrio Glicerina Hierro Ladrillo Ladrillo refractario Latón Litio Madera Mercurio Níquel Oro Parafina Plata Plomo Poliestireno expandido (Telgopor ®) Poliuretano Vidrio Zinc (W/m·K) 47 - 58 14-16 0,58 0,024 0,16 29,1 209,3 0,04 116-186 372,1-385,2 0,04-0,30 64,0 0,03-0,07 0,29 80,2 0,80 0,47-1,05 81 - 116 301,2 0,13 83,7 52,3 308,2 0,21 406,1-418,7 35,0 0,025-0,045 0,018-0,025 0,6 - 1 106-140 Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 3. Calorimetría Guía 6. Calorimetría TRANSMISIÓN DE CALOR INTRODUCCIÓN Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor transmitido. También esos cuerpos, en función del material de que están constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad. El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura. En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría que la expuesta. Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material. La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material. CALOR calor En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita. Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que se logre el máximo aislamiento. Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 3. Calorimetría Guía 6. Calorimetría La conductividad térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa, deberá entonces limitarse. Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor. EL FENÓMENO DE TRANSFERENCIA Hemos visto que cuando dos o más sistemas de temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre sí a través de una pared alcanzan el estado de equilibrio térmico. Este fenómeno se explica por el pasaje de energía calorífica de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura y se lo denomina transmisión de calor. En un sentido más amplio, este fenómeno se produce también entre las porciones de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se encuentran también a temperaturas diferentes. En este fenómeno el estado físico es importante, ya que de acuerdo a cómo estén vinculadas estas moléculas, se presentarán tres formas de transmisión de calor: 1) Conducción: esta forma de transmisión de calor se manifiesta principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él. 2) Convección: esta forma se manifiesta en los líquidos y gases que alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las porciones del fluido que se encuentran a diferentes temperaturas. La convección será natural cuando el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador en los gases. Convección 3) Radiación: es la forma de transmisión en la que el calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vínculo material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante. Radiación Si bien para facilitar el fenómeno de transmisión hemos separado el fenómeno en tres formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se transmite en dos o tres formas simultáneamente. Es decir que la conducción puede incluir también convección y radiación y los problemas de convección incluyen a la conducción y a la radiación. Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 3. Calorimetría Guía 6. Calorimetría CONDUCCIÓN DEL CALOR Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras y se las denomina buenos conductores, mientras que aquellas que lo hacen con mayor dificultad se denominan malos conductores o aisladores. Entre las primeras se encuentran los metales y entre los malos conductores los gases y los líquidos como así también muchos cuerpos sólidos. Se debe tener en cuenta que el mercurio por ser un metal es buen conductor del calor a pesar de encontrarse en estado líquido. FLUJO CALORICO. LEY DE FOURIER Si la temperatura es función lineal de la distancia, la gradiente de temperatura tendrá el mismo valor entre los puntos A y B. Llamando Q a la cantidad de calor transmitida en un tiempo , en un espesor e, por la superficie S, se cumple que: Q = · S · · t e donde S = superficie (m2); t = diferencia de temperaturas entre las caras (ºC); e = espesor (m); = tiempo (seg.) y = coeficiente de conductibilidad térmica. Podemos definir entonces el coeficiente de conductibilidad térmica como la cantidad de calor que se transmite en un segundo, a través de la unidad de superficie, entre dos planos paralelos distantes la unidad de longitud y cuando la diferencia de sus temperaturas es de 1°C. Se denomina flujo calorífico (fi) a la relación = Q / y expresa la cantidad de calor que se transmite en la unidad de tiempo. En la expresión del flujo calorífico, se observa que depende de la diferencia de temperatura, en consecuencia, cuando la diferencia de temperaturas permanece constante, el flujo también será constante. Unidades del coeficiente de conductibilidad Si despejamos el valor de de la expresión de Fourier en el sistema internacional o MKS el coeficiente de conductibilidad térmica será: Joule watt = = m ºC seg m ºC El valor numérico de depende del material del cuerpo. Veamos algunos valores para buenos y malos conductores, a 0°C. MATERIAL Plata Cobre Lana de vidrio Corcho molido ( cal / m . °C. h) 360 335 0,032 0,011 Característica Muy Bueno Bueno Malo Muy Malo En los metales, pequeñas cantidades de impurezas pueden modificar considerablemente el valor de . Así por ejemplo, bastan trozos de arsénico en el cobre para reducir su conductividad térmica hasta cerca de la tercera parte de la correspondiente al cobre puro. Este proceso se denomina dopado, y se utiliza en la fabricación de semiconductores que se usan en la industria electrónica.
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