Fórmula de calor sensible, transferencia y ejemplo

¿Qué es el calor sensible?

La ley de Newton de calentamiento/enfriamiento introduce el concepto de equilibrio térmico, que es una condición en la que no hay flujo de energía térmica entre dos objetos o cuerpos. La ley de Newton de calentamiento/enfriamiento explica que el calor, que es energía térmica, se transfiere de cuerpos más cálidos a cuerpos más fríos. Esta transferencia de calor continúa hasta que las temperaturas de los cuerpos se igualan: temperatura de equilibrio. Esto significa que cuando se coloca una bola fría en un baño de agua tibia, el calor fluirá de la bola al baño de agua hasta que las temperaturas de la bola y el agua se igualen. La dirección del flujo de calor explica por qué mantener el refrigerador abierto para enfriar una habitación no funciona. Es contraintuitivo; el refrigerador absorbe el calor de la habitación. Mantener el refrigerador abierto no hace más que reciclar el aire de la habitación. En general, la temperatura de la habitación aumentaría; el motor del refrigerador libera calor por exceso de funcionamiento.

¿Qué es el calor sensible? La definición de calor sensible es el calor que los sentidos humanos pueden detectar. Este tipo de calor se puede medir con un termómetro porque su aumento o disminución provoca un cambio variable en la temperatura. Un ejemplo de la percepción de este tipo de calor es sentir el calor que emite la chimenea en un día de invierno. El calor sensible también se define como la cantidad de energía que se requiere para provocar un cambio en la temperatura de una cantidad específica de sustancia. Este tipo de calor se asocia con el cambio de temperatura de la sustancia sin alterar su fase; la energía térmica se dirige a elevar la temperatura en lugar de a reformar las moléculas y vencer las fuerzas intermoleculares.

Al colocar una tetera sobre una estufa encendida, la temperatura del agua aumenta gradualmente; el calor es proporcionado por la estufa. La temperatura del agua continúa aumentando hasta un punto en el que su temperatura permanece estancada. Cuando llega a este punto, el agua comenzará a evaporarse. Como el agua está cambiando de fase mientras mantiene la misma temperatura, se puede deducir que el calor en este punto ya no es sensible, sino latente. El calor latente es la energía térmica que está asociada con el cambio de fase a una temperatura fija.

Transferencia de calor sensible

La transferencia de calor sensible es el intercambio de energía térmica entre dos cuerpos o entre el sistema y el entorno. El calor se transfiere del cuerpo que posee el mayor contenido de calor al cuerpo con un contenido de calor menor. En otras palabras, el calor sensible se transfiere de cuerpos cálidos a cuerpos fríos. El flujo de energía térmica continúa en este camino hasta que las temperaturas de los cuerpos se igualan. Debería ser lógico que un aumento en el calor sensible provoque un aumento en la temperatura y viceversa. Sin embargo, el aumento de la temperatura no es proporcional al aumento del calor sensible; suministrar la misma cantidad de calor sensible no cambia la temperatura de diferentes sustancias en la misma magnitud. Esto se debe a que cada sustancia tiene características únicas con el calor; la temperatura de algunas sustancias fluctúa fácilmente con el calor mientras que otras no. Esto está relacionado con la capacidad calorífica de las sustancias, que se analizará en la siguiente subsección.

Fórmula de calor sensible

La fórmula del calor sensible se da de la siguiente manera:

{eq}Q = m \: c \: \Delta T {/eq}

Dónde:

• Q es el calor sensible, medido en cualquier unidad de energía.
• m es la masa de la sustancia cuya temperatura está cambiando.
• c es la capacidad calorífica específica de la sustancia, cuyas unidades son unidad de energía por unidad de masa unidad de temperatura. En esta lección, se utiliza la unidad métrica estándar julios por kilogramo Celsius ({eq}\frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}).
• {eq}\Delta T {/eq} es el cambio en la temperatura de la sustancia.

Todos los parámetros presentados en la ecuación se explican por sí solos, excepto la capacidad calorífica c. La capacidad calorífica específica de una sustancia se define como su resistencia a cambiar su temperatura. La capacidad calorífica es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una cantidad específica de sustancia en un grado. Cada sustancia tiene diferentes grados de resistencia al cambio de temperatura; cada una tiene su propia capacidad calorífica. Las sustancias con una alta capacidad calorífica requieren más energía para elevar su temperatura, mientras que las que tienen una baja capacidad calorífica no requieren tanta. La capacidad calorífica específica del agua es 4182 {eq}\frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}. Se necesitan 4182 julios para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua en solo 1 grado Celsius. La capacidad calorífica específica del hierro es 462 {eq}\frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}. 462 julios son suficientes para elevar la temperatura de un kilogramo de hierro en un grado. Se necesita más energía para elevar la temperatura del agua en un grado que del hierro.

Ejemplo de calor sensible

Los siguientes son problemas de práctica donde se aplica la ecuación de calor sensible.

Problema de práctica 1

¿Cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de 5 kilogramos de plomo a 90 {eq}^{\circ} {/eq}C? Sabiendo que la temperatura inicial del plomo es 20 {eq}^{\circ} {/eq}C, y la capacidad calorífica específica del plomo es 130 {eq}\frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}.

Datos:

{eq}m_{Plomo} = 5 kg {/eq}

{eq}c_{Plomo} = 130 \frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}

{eq}T_1 = 20 ^{\circ} C {/eq}

{eq}T_2 = 90 ^{\circ} C {/eq}

Desconocido: el calor sensible Q

{eq}Q = m \: c \: \Delta T {/eq}

{eq}Q = 5 kg \times 130 \frac{J}{kg ^{\circ}C} \times (90^{\circ}C – 20^{\circ}C) {/eq}

{eq}Q = 45500 \: julios {/eq}

Problema de práctica 2

Si la energía calorífica sensible de elevar la temperatura de la plata de 40 {eq}^{\circ} {/eq}C a 120 {eq}^{\circ} {/eq}C fue igual a 250000 julios, calcule la masa de plata. Dado que la capacidad calorífica específica de la plata es 236 {eq}\frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}.

Datos:

{eq}Q = 250000 J {/eq}

{eq}c_{Plata} = 236 \frac{J}{kg ^{\circ}C} {/eq}

{eq}T_1 = 40 ^{\circ} C {/eq}

{eq}T_2 = 120 ^{\circ} C {/eq}

Desconocido: masa de plata

{eq}Q = m \: c \: \Delta T {/eq}

{eq}m = \frac{Q}{c \: \Delta T} {/eq}

{eq}m = \frac{250000 J}{236 \frac{J}{kg ^{\circ}C} \times (120^{\circ}C – 40^{\circ}C)} {/eq}

{eq}m = 13,24 \: kilogramos {/eq}

Resumen de la lección

La ley de calentamiento/enfriamiento de Newton establece que la energía térmica fluye desde los objetos con temperaturas más altas hacia los objetos con temperaturas más bajas hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El intercambio de calor entre cuerpos se detiene en la temperatura de equilibrio, que es cuando los objetos están a la misma temperatura entre sí y con su entorno. El concepto de flujo de calor explica que cuando un objeto se “enfría”, libera energía térmica.

El calor sensible es un tipo de energía medible que está asociada con la temperatura de un objeto. Este tipo de calor se puede percibir y detectar; está dirigido a provocar un cambio en la temperatura de un material sin alterar su fase. La transferencia de calor sensible es la transferencia de energía térmica de cuerpos cálidos a cuerpos más fríos. La fórmula del calor sensible {eq}Q = m \: c \: \Delta T {/eq}, donde c es la capacidad calorífica específica de la sustancia, describe la energía necesaria para cambiar la temperatura de la sustancia. Los materiales con una mayor capacidad calorífica requieren más energía térmica para aumentar su temperatura en un grado.