Ejemplos de transferencia de calor: problemas y soluciones

Publicado el 4 noviembre, 2020

Solo hay calor

¿Alguna vez has escuchado a alguien decir “hace frío afuera”? En términos de ciencia, esta es una declaración ficticia, porque no existe tal cosa como “frío”. Técnicamente, es más correcto decir que un objeto carece de energía térmica. Solo puede medir la cantidad de calor en un objeto, no la cantidad de “frío” en un objeto. Veamos cómo analizar la transferencia de calor.

Energía térmica

La energía térmica proviene de la fricción generada entre partículas en movimiento. La temperatura es la medida de la energía cinética media (energía de movimiento) de las partículas. Cuanto mayor es la energía cinética, más calor se genera. Piense en lo caliente que se siente cuando corre. Tus músculos se estiran y contraen, generando fricción, lo que te calienta.


La energía térmica fluye de sustancias más calientes a sustancias más frías
carbones

La segunda ley de la termodinámica establece que la energía térmica solo puede fluir espontáneamente de objetos más calientes a objetos más fríos. Imagínese sacar un cubito de hielo del congelador y ponerlo en la encimera. Dado que el contador contiene más energía térmica que el cubo de hielo, su energía se mueve hacia el cubo de hielo. El flujo de energía térmica desde el mostrador al cubo de hielo continuará hasta que se obtenga el equilibrio térmico. El equilibrio térmico es cuando todos los objetos de un sistema tienen la misma temperatura.

Se puede calcular la cantidad de energía térmica que posee un objeto. Aquí está la ecuación:

Q = mcΔT

  • Q es energía térmica en julios (J)
  • m es la masa del objeto en gramos (g)
  • c es el requerimiento calórico para la fase de la materia en la que se encuentra el objeto (J / g⋅ ° C) – por ejemplo, agua congelada versus agua líquida versus agua gaseosa
  • ΔT es el cambio de temperatura (T final – T inicial )

Mire esta tabla que muestra el calor específico de varios objetos:

Tabla 1: Valores de calor específicos
Fases del agua: Sólido (≈ 2,1 J / g⋅ ° C) Líquido (≈ 4,19 J / g⋅ ° C) Gas (≈ 2,01 J / g⋅ ° C)
Calor de fusión latente en agua: 334 J / g
Calor de vaporización latente del agua: 2230 J / g
Hierro: Sólido (≈ 0.450 J / g⋅ ° C)
Cobre: ​​Sólido (≈ 0.385 J / g⋅ ° C)
Aluminio: Sólido (≈ 0.902 J / g⋅ ° C)

Estos valores nos dicen cuánta energía se requiere para elevar un gramo de la sustancia a 1 ° C. Note que el agua tiene tres valores de calor específicos para cada fase en la que puede existir agua, y dos valores con el término calor latente. El calor latente es esencialmente “calor oculto”. Las moléculas de agua se organizan en una estructura de red cristalina cuando se forma el hielo. A medida que se agrega energía térmica al hielo a temperaturas bajo cero, la energía calienta el hielo a 0 ° C. Si se agrega más energía térmica, se rompe la estructura cristalina del hielo, no se eleva la temperatura del hielo.


Cuando el hielo se derrite, su temperatura no
cubo de hielo

Un proceso similar ocurre a 100 ° C. Las moléculas de agua se unen de manera similar a como se pegan los extremos opuestos de los imanes. A 100 ° C, la energía térmica agregada al agua hace que las moléculas vibren lo suficiente como para que se desprendan unas de otras y entren en la fase gaseosa. Dado que no hay cambio de temperatura en el proceso de vaporización, el calor que se agrega se denomina calor latente de vaporización.

Trabajemos en un problema relacionado con la transferencia de energía. Al derretir hielo o vaporizar líquido, usa la ecuación que vimos anteriormente sin el término de cambio de temperatura. En los cambios de fase no hay cambio de temperatura.

Q = mc

Ejemplo

Veamos un ejemplo: 150 gramos de agua congelada están a -20 ° C. ¿Cuánta energía térmica se necesitará para llevar la temperatura del agua a 50 ° C?

El primer paso en este tipo de problemas es hacer un esquema de las etapas por las que pasa el agua desde su temperatura inicial hasta su temperatura final.

Etapa 1 : Calentar hielo de -20 ° C a 0 ° C
Etapa 2 : Derretir hielo
Etapa 3 : Calentar agua líquida de 0 ° C a 50 ° C.

Ahora podemos usar la ecuación apropiada para cada paso para resolver la energía térmica requerida en cada paso. Una vez que tenemos todos estos valores, los sumamos.

Paso 1 : sube la temperatura del hielo a 0 ° C.

Q 1 = mcΔT
Q 1 = (150 g) (2,1 J / g⋅ ° C) (0 ° C – (-20 ° C))
Q 1 = 6300 J

Paso 2 : Derretir el hielo.

Q 2 = mc
Q 2 = (150 g) (334 J / g)
Q 2 = 50100 J

Paso 3 : Eleve el agua líquida de 0 ° C a 50 ° C.

Q 3 = mcΔT
Q 3 = (150 g) (4.19 J / g⋅ ° C) (50 ° C – 0 ° C)
Q 3 = 31425 J

Q total = Q 1 + Q 2 + Q 3
Q total = 6300 J + 50100 J + 31425 J
Q total = 87825 J

Observe que el calor total es positivo. Si pusiéramos esa misma cantidad de agua en forma líquida en el congelador, la cantidad total de energía térmica sería la misma para convertir el agua en hielo, excepto que sería un valor negativo.

Resumen de la lección

En resumen, la energía térmica proviene de la fricción generada entre partículas en movimiento. La temperatura es la medida de la energía cinética promedio de las partículas. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía térmica solo puede fluir espontáneamente de objetos más calientes a objetos más fríos. La energía térmica seguirá fluyendo hasta que se alcance el equilibrio térmico , que es cuando todos los objetos del sistema tienen la misma temperatura.

Cada sustancia tiene un requerimiento calórico (c). Se define como la cantidad de energía necesaria para calentar un gramo de la sustancia a 1 ° C.

Cuando el agua cambia de fase de sólido a líquido y de líquido a vapor, el calor agregado no eleva la temperatura del agua. A esto se le llama calor latente . Al derretir hielo, la energía térmica rompe la estructura cristalina del hielo. Al vaporizar agua líquida, la energía térmica separa las moléculas de agua.

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