Calor y temperatura
Uno de los primeros conceptos de la física térmica que causa confusión es la diferencia entre calor y temperatura. En nuestra mente, el calor y la temperatura parecen significar lo mismo. Aunque físicamente esto no es cierto. El calor es una forma de energía transferida de sustancias calientes a frías. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un sistema. Pronto verá que estos deben ser diferentes, ya que hay ocasiones en las que agregar calor a un sistema no aumenta la temperatura.
En esta lección, mostraremos cómo el calor afecta la temperatura y los cambios de fase en las sustancias. Los cambios de fase ocurren cuando una sustancia pasa de un sólido a un líquido a un gas y viceversa. Trabajaremos en un problema de ejemplo que trata sobre el calentamiento de sustancias y aprenderemos a leer las curvas de calentamiento.
Calor especifico
Vamos a ver cómo interactúan el calor y la temperatura calculando cuánto calor se necesita para tomar 50 gramos de hielo a -20 o F y convertirlo en agua a 80 o F. Para hacer esto, tendremos que usar dos fórmulas de energía diferentes; uno para calor específico y otro para calor latente. La fórmula de calor específica que puede ver en su pantalla nos dice cuánto calor agregado ( Q ) se necesita para cambiar la temperatura de una sustancia.
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¿Cómo diferenciar calor de temperatura?
Aquí m es la masa, ΔT es el cambio de temperatura y c es el calor específico. El calor específico es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de una sustancia en un grado Celsius.
Calor latente
Si bien la fórmula de calor específico nos dice cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de una sustancia, no nos dice cuánto calor se necesita para cambiar la fase de una sustancia. Para eso usamos la fórmula de calor latente.
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El calor latente ( l ) es el calor necesario para cambiar la fase de una sustancia por unidad de masa. Hay dos tipos diferentes de calor latente: calor latente de fusión y calor latente de vaporización . El primero trata sobre el cambio de una sustancia entre sólido y líquido, y el segundo, el cambio entre líquido y gas.
¿Qué es la transformación de la energía?
El calor específico y latente son únicos para cada sustancia. Para nuestro ejemplo, el agua tiene los siguientes valores de calor específicos y latentes que puede ver en la pantalla mientras hablamos.
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‘J’ significa Joules, que son unidades de medida de energía. En este caso, vemos J / go Joules por gramo, que se refiere a unidades de energía térmica distribuidas sobre la masa de un objeto.
Terminando el problema
Usamos juntas las ecuaciones de calor latente y específico cuando el aumento de temperatura de una sustancia la lleva de una fase a otra. En nuestro ejemplo, el calor total agregado ( Q tot ) sería la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura del hielo hasta el punto en que se derrita ( Q i ), más la cantidad de calor que se necesita para convertir el hielo en agua ( Q itw ), más cuánto calor se necesita para elevar la temperatura del agua ( Q w ) a 80 o F.
¿Cómo afecta la Temperatura a los Materiales?
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Antes de introducir toda la información de nuestro problema, debemos hacer una cosa más. Necesitamos convertir nuestra temperatura de Fahrenheit a Celsius. Para hacer esta conversión, usamos la siguiente fórmula.
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Para este problema, necesitamos convertir nuestra temperatura inicial de -20 o F y nuestra temperatura final de 80 o F.
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Ahora usamos toda la información que nos han dado en la sección para resolver nuestro problema.
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Finalmente, tomemos una nota rápida sobre cómo se eligieron nuestros intervalos de temperatura para ΔT , o la temperatura final menos la temperatura inicial. Estos intervalos de temperatura se eligieron porque el hielo se derrite por encima de 0 ° C. Entonces, nuestro calor agregado para hielo solo se puede aplicar de -29 o C a 0 o C, y nuestro calor agregado para agua solo se puede aplicar de 0 o C a 27 o C. ‘
Una curva de calentamiento
En las secciones anteriores nos adentramos en el meollo de la relación entre el calor y la temperatura aprendiendo sobre fórmulas de calor específicas y latentes. Sin embargo, mientras se enfoca exclusivamente en fórmulas, es fácil quedarse sin una comprensión intuitiva de lo que está sucediendo exactamente. Podemos ayudar a forjar una comprensión más intuitiva al observar algo llamado curva de calentamiento. Una curva de calentamiento muestra la relación entre la temperatura y el calor agregado. Puede ver en el diagrama de su pantalla que la temperatura de una sustancia aumenta a medida que se le agrega más calor.
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También notará que hay grandes porciones del gráfico que son líneas horizontales. Aquí se agrega calor, pero la temperatura no aumenta. Esto sucede porque todo el calor en este punto va a cambiar la fase de la sustancia en lugar de hacerla más caliente. Entonces, el primer segmento horizontal representa el punto de fusión donde la sustancia cambia de sólido a líquido, y el segundo segmento horizontal representa el punto de ebullición donde la sustancia cambia de líquido a gas.
Resumen de la lección
El calor y la temperatura, aunque al principio parecen similares, en realidad son dos conceptos diferentes. El calor es energía que se transfiere de una sustancia caliente a una fría, y la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un sistema. Los dos pueden relacionarse mediante las ecuaciones de calor latente y específico.
La ecuación de calor específica se usa para averiguar cuánto calor se agrega ( Q ) a una sustancia durante un cambio de temperatura ( ΔT ).
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Aquí m es la masa de la sustancia y c es su calor específico que nos indica cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de una sustancia en un grado Celsius.
La ecuación del calor latente se usa para averiguar cuánto calor se agrega para cambiar la fase de una sustancia.
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El calor latente ( l ) es el calor necesario para cambiar la fase de una sustancia por unidad de masa. El calor latente puede ser calor latente de fusión para cambiar entre un sólido y un líquido, o calor latente de vaporización para cambiar entre un líquido y un gas.
Finalmente, la forma en que el calor y la temperatura interactúan en una sustancia también se puede ver gráficamente en algo llamado curva de calentamiento , que muestra la relación entre la temperatura y el calor agregado. También muestra el punto de fusión , que es donde una sustancia cambia de sólido a líquido, y el punto de ebullición , que es donde una sustancia cambia de líquido a gas.
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A medida que se agrega calor, la temperatura aumenta, excepto durante las partes horizontales de la curva, donde todo el calor cambia la fase de la sustancia.
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