- En què consisteix i fórmules
- La diferència de temperatura
- La calor específica i la capacitat calorífica d'una substància
- Com calcular?
- Calorimetria
- exercicis resolts
- exercici 1
- dades
- solució
- exercici 2
- solució
- referències
El calor cedida és la transferència d'energia entre dos cossos a diferents temperatures. El que es troba més temperatura cedeix calor a aquell la temperatura és menor. Ja sigui que un cos cedeixi o absorbeixi calor, la seva temperatura o el seu estat físic poden variar en funció de la massa i les característiques pròpies de l'material de què està fet.
Un bon exemple es té en una tassa de cafè fumejant. La cullereta de metall amb la qual es regira el sucre s'escalfa. Si es la deixa dins la tassa el temps suficient, cafè i cullereta metàl·lica acabaran per igualar les seves temperatures: el cafè s'haurà refredat i haurà cedit calor a la cullereta. Alguna cosa de calor haurà passat a l'ambient, ja que el sistema no està aïllat.
El cafè i la cullereta arriben a estar en equilibri tèrmic passat un temps. Font: Pixabay.
A l'igualar-les temperatures s'ha arribat a l'equilibri tèrmic.
Si es fes la mateixa prova amb una cullereta de plàstic, segurament notaria que aquesta no s'escalfa tan ràpid com la de metall, però eventualment també arribarà a estar en equilibri amb el cafè i tot el que l'envolta.
Això es deu al fet que el metall condueix millor la calor que el plàstic. D'altra banda segurament el cafè cedeix calor a una taxa diferent que la xocolata calenta o una altra beguda. Llavors, la calor cedit o absorbit per cada objecte depèn de quin material o substància estigui fet.
En què consisteix i fórmules
La calor sempre es refereix a el flux o trànsit d'energia entre un objecte i un altre, a causa de la diferència de temperatura.
Per això es parla de calor cedit o de calor absorbida, ja que a l'afegir o extreure calor o energia d'alguna manera, és possible modificar la temperatura d'un element.
Normalment es diu Q a la quantitat de calor que l'objecte més calent cedeix. Aquest valor és proporcional a la massa d'aquest objecte. Un cos amb gran massa és capaç de cedir més calor que un altre de menor massa.
La diferència de temperatura
Un altre factor important en el càlcul de la calor cedit és la diferència de temperatura que experimenta l'objecte que cedeix la calor. La hi denota com Δ T i es calcula així:
Finalment, la quantitat de calor cedida també depèn de la naturalesa i característiques de l'objecte, les quals es resumeixen quantitativament en una constant anomenada calor específica de l'material, denotada com c.
Així que finalment l'expressió per la calor cedit és la següent:
El fet de cedir es simbolitza amb un signe negatiu.
La calor específica i la capacitat calorífica d'una substància
La calor específica és la quantitat de calor necessària per elevar en 1 ºC la temperatura d'1 g de substància. És una propietat intrínseca de l'material. Les seves unitats en Sistema Internacional són: Joule / kg. K (Joule entre quilogram x temperatura en graus Kelvin).
La capacitat calorífica C és un concepte vinculat, però lleugerament diferent, ja que la massa de l'objecte intervé. Es defineix la capacitat calorífica de la següent manera:
Les seves unitats en SI són Joule / K. De manera que la calor cedida també pot expressar-se equivalentment com:
Com calcular?
Per calcular la calor cedida per un objecte es requereix conèixer el següent:
- La calor específica de la substància que cedeix la calor.
- La massa d'aquesta substància
- La temperatura final a obtenir
Els valors de la calor específica per a molts materials s'han determinat experimentalment i estan disponibles en taules.
Calorimetria
Ara bé, si no es coneix aquest valor, és possible obtenir-lo amb ajuda d'un termòmetre i aigua en un recipient aïllat tèrmicament: el calorímetre. Un esquema d'aquest dispositiu es mostra a la figura que acompanya l'exercici 1.
Es submergeix una mostra de la substància a una certa temperatura en una quantitat d'aigua que prèviament s'ha mesurat. Es mesura la temperatura final i amb els valors obtinguts es determina la calor específica de l'material.
Comparant el resultat amb els valors tabulats, es pot saber de quina substància es tracta. A aquest procediment se l'anomena calorimetria.
El balanç de calor es porta a terme mitjançant la conservació de l'energia:
Q cedit + Q absorbit = 0
exercicis resolts
exercici 1
S'introdueix una peça de coure de 0.35 kg a una temperatura de 150 ºC a 500 ml d'aigua a una temperatura de 25 º C. Trobar:
a) La temperatura final d'equilibri
b) Quant calor flueix en aquest procés?
dades
Esquema d'un calorímetre bàsic: un recipient amb aigua aïllat i un termòmetre per mesurar els canvis de temperatura. lFuente: Dr. Tilahun Tesfaye
solució
a) El coure cedeix calor mentre que l'aigua ho absorbeix. Com el sistema es considera tancat, solament l'aigua i la mostra intervenen en el balanç de calor:
D'altra banda, es requereix calcular la massa de 500 ml d'aigua:
Amb aquestes dades es calcula la massa de l'aigua:
Es planteja l'equació per la calor en cada seus substància:
Igualant els resultats es té:
És una equació lineal amb una incògnita, la solució és:
b) La quantitat de calor que flueix és la calor cedit o bé la calor absorbida:
Q cedit = - 134.75 (32.56 - 150) J = 15823 J
Q absorbit = 2093 (32.56 - 25) J = 15823 J
exercici 2
Un tros de coure de 100 g s'escalfa en un forn a una temperatura T o i després s'introdueix en un calorímetre de coure de 150 g que conté 200 g d'aigua a 16 º C. La temperatura final una vegada en equilibri és de 38 º C. Quan es pesen el calorímetre i el seu contingut, es troba que s'han evaporat 1.2 g d'aigua Quina era la temperatura inicial T o ?
solució
Aquest exercici difereix de l'anterior, ja que cal considerar que el calorímetre també absorbeix calor. La calor cedit pel tros de coure s'inverteix en tot el següent:
- Escalfar l'aigua de l'calorímetre (200 g)
- Escalfar el coure de què està fet el calorímetre (150 g)
- Evaporar 1.2 grams d'aigua (per a un canvi de fase també es necessita energia).
Per tant:
- 38.5. (38 - T o) = 22397.3
Va poder haver-se considerat també la calor necessària per portar el 1.2 g d'aigua fins a 100 º C, però és una quantitat bastant petita en comparació.
referències
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 th. Ed. Prentice Hall. 400-410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6 ta Edició abreujada. Cengage Learning. 156-164.
- Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson. 309 - 332.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14 th. Ed. Volume 1. 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fonaments de Física. 9 na Cengage Learning.