CALOR LATENTE Y CALOR ESPECIFICO

Calor latente

El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla (Figura1). Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas.

El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; Existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 Kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 Kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios. La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula

Q=m·c·(Tf-Ti)

Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final

Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0

Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0

Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg K).

Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las distintas longitudes de las partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las líneas inclinadas representan el número de grados de aumento de temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo de agua. El 'calor específico' del agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5 julios de energía para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de agua.

Calor específico

Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado (figura3). El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un

gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

DILATACIÓN

Aumento de volumen de un cuerpo por la separación de sus moléculas y disminución de su densidad al elevarse su temperatura o disminuir la presión a la que está sometido, sin que se produzca ningún cambio en su naturaleza.


DILATACIÓN DE ÁREA

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centigrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un solido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

DILATACIÓN CUBICA 

Cuando una barra o cualquier trozo de metal es calentado a alta temperatura, se dilata en sus tres dimensiones: largo, ancho y alto. Por ejemplo, en los pisos, es necesario dejar un espacio entre las losetas para que cuando la temperatura ambiental aumente, el piso no sufra deformaciones.

El coeficiente de dilatación cúbica se calcula con base en la dilatación lineal, ya que es tres veces mayor, es decir:

β=3[Lf-Lo/Lo(Tf-To)]

que simplificada se representa así:

β=3ª

Se puede calcular el aumento de volumen al variar la temperatura con la siguiente fórmula:

Vf=Vo[1+ β(Tf-To)]

DILATACIÓN LINEAL 
El coeficiente de dilatación lineal () se define como el cambio de longitud que presenta una varilla de un determinado material cuando la longitud inicial es de un metro y su temperatura se eleva en un grado centígrado.

ECUACIÓN: Δℓ = i ΔT

Δℓ= cambio de longitud (m) 

=coeficiente de dilatación lineal ó °C
i=longitud inicial.
ΔT=cambio de temperatura (°C=Tf-T i) 

SUSTANCIA	a(1/°C)
HIERRO	11.7 x 10 ^ -6
ALUMINIO	22.4 x 10 ^ -6
COBRE	16.7 x 10 ^ -6
PLATA	18.3 x 10 ^ -6
PLOMO	27.3 x 10 ^ -6
NIQUEL	12.5 x 10 ^ -6
ACERO	11.5 x 10 ^ -6
ZINC	35.5 x10 ^ -6
VIDRIO	7.3 x10 ^ -6
ORO	1.5 x10 ^ -6
HORMIGON	2 x10 ^ -6
GRAFITO	0.79 x10 ^ -6
CUARZO	0.04 x 10 ^ -6

PROPAGACIÓN DEL CALOR: CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN

CONDUCCIÓN 

Se denomina conducción del calor a su transferencia desde un extremo a otro del mismo cuerpo o de un cuerpo o sustancia hacia otro. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción.
Por ejemplo:
Si se tiene una varilla de metal, se puede someter al calor por uno de sus extremos. Al sujetarla por el otro extremo, la varilla se pone caliente.
Aunque se esté sosteniendo por el lugar opuesto al que está en contacto con una fuente de calor, ya sea un fogón, un mechero u otra, se siente el calor. ¿Qué se demuestra entonces?
Que el calor se propagó por toda la varilla y llegó al extremo opuesto, el extremo que no estaba recibiendo el calor directamente.

Otro ejemplo es el siguiente: Tenemos un vaso de leche que está muy caliente. En su interior se introduce una cuchara.
Al pasar un rato, si se toca la cuchara que se encuentra en su interior, se nota que se va calentando cada vez más.
Esta transferencia de calor se ha producido desde una sustancia, que es la leche, hasta un cuerpo, que es la cuchara. Quiere decir que hay transferencia de calor entre dos elementos distintos que se encuentren en contacto.

CONVECCIÓN

La convección es la forma de transferencia de calor que se caracteriza porque se produce en el aire y en el agua, que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas pues ambos se calientan de abajo hacia arriba. Toda la masa de agua sube al igual que toda la masa de aire, al calentarse.
¿Cómo es que pueden calentarse el aire y el agua?

Si se le suministra calor a un recipiente con agua dentro de la cual se hayan colocado unos papeles de colores, (o algunos otros cuerpos que se vean bien), al cabo de un rato se puede comprobar cómo se calienta el agua, pues el movimiento de los papeles nos lo indicará. El agua se calienta desde abajo y asciende dentro del recipiente. Forma entonces una columna de agua más caliente que al llegar arriba cede parte de ese calor y vuelve a descender. Esto lo indican los cuerpecitos que se han movido junto con el agua, que asciende y desciende, formando dos corrientes, una hacia arriba y otra hacia abajo.
Quiere decir que el agua que se encuentra cerca de la llama se calienta rápidamente, se hace más ligera y asciende, mientras que el agua que está ya en la superficie, que se va haciendo más fría y pesada, desciende y al calentarse en el fondo, vuelve de nuevo a subir, formándose dos corrientes, una que sube y otra que baja, que hacen que el calor se propague a todo el líquido. Esta experiencia demuestra que el agua se calienta por convección.

RADIACIÓN

Radiación es la forma de transferencia del calor que se origina en un centro y se extiende en todas direcciones.

Cuando ustedes van a la playa, habrán notado que el agua de la superficie está más caliente que el agua que está debajo. Entonces, ¡esta agua no se ha calentado por convección! Si se hubiera calentado por convección, el agua de la superficie estaría más fresca que la de abajo y se formarían esas corrientes de ascenso y descenso que se habían visto en la experiencia anterior.

Esta es la forma en que recibimos en la Tierra el calor del Sol; su nombre es radiación, que quiere decir que el calor se propaga desde un centro, hacia todos lados, o sea, radialmente.

Por eso era que las aguas del mar se encontraban calientes en su superficie y no así debajo. Era porque recibían el calor por radiación.

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío.

Pero el Sol no es la única fuente de calor que puede calentar por radiación. Existen otros ejemplos de propagación del calor por radiación, por ejemplo:

1. Los panaderos, cuando van a sacar el pan del horno, están recibiendo el calor procedente de este, por radiación.
2. Los obreros metalúrgicos reciben mucho calor procedente de los altos hornos en que se funden los metales y ese calor les llega por radiación.
3. En sus hogares, cuando mamá está cocinando, recibe por radiación el calor procedente de la cocina, puesto que no está situada encima de la fuente de calor, ni en contacto directo con ella, sino delante de las hornillas.