Transferencia de Calor

¿Qué es el calor?

Cuando dos o más cuerpos de temperaturas distintas se ponen en contacto entre sí, el calor se transfiere del cuerpo con mayor temperatura a aquel con menor temperatura.

Sólo hay calor si hay diferencia de temperatura y continuará hasta que las temperaturas se igualen, es decir, hasta que alcancen el equilibrio térmico.

Tipos de calor

Dos cosas pueden suceder cuando un objeto absorbe calor: o aumenta la temperatura (calor sensible), o cambia el estado físico (calor latente)

Calor sensible es el calor que hace que la temperatura de un objeto varíe sin cambiar su estado físico. Un ejemplo sería calentar un agua de \(20^{\circ} \mathrm{C}\) a \(79^{\circ} \mathrm{C}\). 

Calor latente es el calor que hace que el estado físico del objeto se altere, pero sin que la temperatura varíe. Un ejemplo es el calor necesario para derretir un cubo de hielo. Desde el principio hasta el final de este proceso, el agua estará a \(0^{\circ} \mathrm{C}\), pues esa es su temperatura de fusión.

La unidad en el \(S . I\) de cantidad de calor es el joules \((J)\), pero hay otra unidad muy común para el calor que es la caloría \((c a l)\): 

\(1 \mathrm{cal}=4,1868 J\)

Pero ¿cómo podemos calcular esas transferencias de calor? ¡Eso es lo que vamos a descubrir ahora!

¿Cómo calcular el calor sensible?

El calor sensible cedido o absorbido por un cuerpo viene dado por:

\(Q=m \cdot c \cdot \Delta T\)

Donde:

\(Q\) es la cantidad de calor cedida o recibida, en joules o calorías;

\(m\) es la masa del cuerpo;

\(c\) es el calor específico del cuerpo (propiedad del material). Generalmente su unidad es \(c a l / g . K\) o  \(J / K g . K\).

\(\Delta T=T_{f}-T_{i}\) es la diferencia entre las temperaturas final e inicial.

Nota: La unidad de temperatura en el SI es Kelvin, pero en nuestra ecuación lo que se expresa es la variación de temperatura. ¡Lo que pasa es que la variación de temperatura en Celsius es igual a la variación de temperatura en Kelvin! ¡Así que si el ejercicio te da temperaturas inicial y final en Celsius, no necesitas convertir para Kelvin si vas a hacer la variación! ¡Uff! ¡Un trabajo menos!

Por el signo de \(\Delta T\), podemos saber si ese calor está siendo cedido o absorbido.

Sí \(\Delta T>0\), entonces \(Q\) es positivo y el cuerpo está recibiendo calor, pues su temperatura va en aumento.

Sí \(\Delta T<0\), entonces \(Q\) es negativo y el cuerpo está perdiendo calor, pues su temperatura va disminuyendo.

Calor latente

El calor latente viene dado por la fórmula:

\(Q=m L\)

Donde:

\(Q\) es la cantidad de calor cedida o recibida;

\(m\) es la masa del cuerpo;

\(L\) es el calor latente del cambio de estado físico.

No tiene mucho misterio, es solo eso.

¿Pero cómo sé si el calor está siendo cedido o recibido?

Recuerde, por ejemplo, que el hielo necesita calor para convertirse en agua líquida y el agua, a su vez, también necesita recibir calor para convertirse en vapor.

De manera contraria, el vapor tiene que ceder calor para convertirse en agua y el agua tiene también que ceder calor para convertirse en hielo.

Capacidad térmica

La capacidad térmica se define como el producto entre la masa de un material y el calor específico de dicho material.

\(C=m \cdot c\)

Es decir:

\(Q=C \cdot \Delta T\)

Existe la posibilidad de que el problema trabaje con el término calor específico molar, que es el calor específico que ya conocemos como unidad de masa molar. Así que la fórmula que usaremos será

\(Q=n . \bar{c} . \Delta T\)

Donde \(n\) es el número de moles y \(\bar{c}\) es el calor específico molar.

Nota: el mol es una unidad que representa \(6,02.10^{23}\) y se puede calcular de la siguiente manera:

\(n=\frac{m}{M}\)

Donde \(m\) es la masa de la sustancia y \(M\) es la masa molar de dicha sustancia.

Intercambio de calor con sistemas

Algunos ejercicios pueden llegar y hablar acerca de que el cuerpo está intercambiando calor con un sistema o con su entorno.

Que? Sistema? Entorno?

Pues bien…

Sistema: es aquello que queremos analizar. Por ejemplo: un vaso de agua con hielo.

Entorno: es lo que actúa en el sistema y lo modifica. Ejemplo: el mismo vaso con agua y hielo se coloca sobre una llama. La llama actúa en el sistema y lo modifica.

Reservorio térmico: un cuerpo de gran tamaño que no sufre cambios de temperatura relevantes, pero funciona como un donante o receptor de calor. Ejemplo: un lago. Si se vierte agua hirviendo en el lago, el lago, como un todo, no altera su temperatura media, pero recibe el calor del agua hirviendo, haciendo que disminuya de temperatura.

Termómetros 

El mecanismo de funcionamiento de los termómetros está totalmente basado en el equilibrio térmico, el termómetro se pone en contacto con un objeto y al entrar en equilibrio térmico con el objeto, podemos garantizar que ambos tienen la misma temperatura.

Ley cero de la Termodinámica 

La Ley Cero enuncia lo siguiente:

Supongamos que dos cuerpos \(A\) y \(B\) están en equilibrio térmico (perfecto, entonces tienen la misma temperatura).

Y supongamos también que los cuerpos \(A\) y \(C\) están en equilibrio térmico (bien, lo mismo).

Entonces la Ley Cero dice que los cuerpos \(B\) y \(C\) necesariamente también están en equilibrio térmico.

Por lo tanto, tiene sentido si \(T_{A}=T_{B}\) y \(T_{A}=T_{C}\),entonces \(T_{B}=T_{C}\)

Conservación de la energía

Sabemos que el calor es una forma de energía y que la energía puede conservarse.

Entonces, en un sistema aislado, todo lo que un cuerpo pierde, el otro lo gana, de modo que la suma de calores cedidos y absorbidos sea cero:

\(\Sigma Q=0\)

En la práctica, suma todo e iguala a cero.

En ese caso, en \(\Delta T\) del calor sensible, tenemos que tener en cuenta la señal. \(Q<0\) para quien se enfría y \(Q>0\) para quien se calienta.

En sistemas no aislados, es decir, cuando hay un aumento o pérdida de calor en el sistema, la ecuación queda así:

\(\Sigma Q=Q_{\text {ent} / {salida}}\)

Donde \(\Sigma Q=Q_{\text {ent} / {salida}}\) es el calor suministrado al sistema o extraído del mismo.

Mil y una cosas que aprender... Hacemos los ejercicios?