Contenido principal
Tiempo actual: 0:00Duración total:14:57

Calor específico y calor latente de fusión y de vaporización

Transcripción del video

vamos a hablar de calor específico y el calor de la fusión y vaporización digamos que tenemos un contenedor con algún líquido y queremos aumentar la temperatura probablemente vamos a tener que incluir una fuente de calor pero cuando calor debemos agregar hay una fórmula para esto para calcular cuánto calor debemos agregar dependerá de varias cosas por ejemplo una de ellas cuál es la cantidad en la que queremos aumentar la temperatura mientras más que ramos aumentar la temperatura tendremos que agregar más calor también va a depender de qué tanto material tenemos en otras palabras la masa de este líquido de acá mientras más tengamos más calor tendremos que agregar para aumentar la temperatura que queremos y también depende de una cosa más el calor específico de este material en particular diferentes materiales requerirán de diferente cantidad de calor para aumentar su temperatura y si un material tiene un calor específico alto va a requerir más chulos de calor para aumentar su temperatura así que seamos un poco más específicos digamos que el líquido es agua y está a una temperatura de 20 grados celsius y digamos que este es un contenedor grande que contiene dos kilogramos de agua el calor específico lo podemos encontrar en ciertas tablas o a veces no nos dan como dato en el caso del agua el calor específico es de 4 mil 186 jules por kilogramo grados celsius y estas unidades nos dan una idea de lo que significa el calor específico nos dice que el agua requiere de 4.186 jules para calentar un kilogramo un grado celsius y aquí nos damos cuenta de que va a requerir de mucha energía para calentar esta agua pues el agua tiene un color específico muy alto puede almacenar mucha energía del calor sin elevar mucho su temperatura y digamos que la pregunta es cómo aumentar esa temperatura a 50 grados celsius gol de energía del calor tenemos que agregar para lograr este incremento en la temperatura pues la cantidad de calor que vamos a necesitar es igual a la masa que es de 2 kilogramos multiplicada por el calor específico que es 4.186 jules por kilogramo grados celsius x el cambio en la temperatura esta es la diferencia de temperatura temperatura final menos temperatura inicial la temperatura finales de 50 grados celsius que es a dónde queremos llegar - la temperatura inicial que es de 20 grados celsius y ahora vamos a calcular la cantidad de calor lo que tenemos que hacer es multiplicar todos estos términos y nos va a dar 251.000 160 jules que es muchísima energía calorífica que es la necesaria para incrementar la temperatura del agua 30 grados celsius por eso es que muchas veces usamos el agua como disipador de calor se puede poner mucho calor en el agua sin que cambie demasiado su temperatura este ejemplo fue bastante simple vamos a hacer otro un poquito más complejo digamos que en lugar de calentar este cubo con una llama por debajo voy a usar un pedazo de metal caliente digamos que tenemos un pedazo de cobre que tiene una masa de 0.5 kilogramos y éste cobre lo dejemos caer en el agua lo calentamos y lo dejamos caer en este contenedor os y queremos saber cuál va a ser la temperatura de equilibrio que va a alcanzar este pedazo de cobre cuál va a ser el equilibrio de temperatura que va a tener esto el cobre se va a enfriar el agua se va a calentar y eventualmente van a alcanzar el equilibrio a 7 temperatura o al va a ser esa temperatura pues vamos a necesitar varios datos ya les he comentado la masa del cobre necesitamos conocer su temperatura inicial y comentamos que lo íbamos a calentar mucho así que la temperatura inicial del cobre es de 90 grados celsius también necesitamos saber el calor específico del cobre y resulta que el calor específico del cobre es 387 jules por kilogramo grados celsius el agua sigue teniendo las mismas propiedades que vimos al inicio tiene una masa de dos kilogramos el calor específico siempre va a ser para el agua 4.186 jules por kilogramo grados celsius y digamos que tiene una temperatura inicial de 20 grados celsius y sabemos que la temperatura de equilibrio la temperatura que ambos materiales van a alcanzar se va a encontrar entre los 20 y los 90 grados celsius y tenemos que encontrar exactamente cuál va a ser el truco que vamos a usar es que si lo pensamos el cobre va a perder calor y el agua va ganar calor pues van a tener que ser iguales suponiendo que no tenemos calor que se esté perdiendo en el ambiente así que vamos a suponer que esto ocurre en un calorímetro todo esto está aislado lo que va a evitar que escape calor si no escapa calor la temperatura que aumente el agua va a ser la misma temperatura que pierde el cubo de cobre básicamente si sumamos el calor perdido por el cobre más el calor absorbido o ganado por el agua vamos a obtener cero ya que uno de éstos va a ser negativo y el otro va a ser positivo y tendrán el mismo valor absoluto cómo encontramos esto pues recuerden que tenemos una fórmula es igual a m porsche por del tate y pueden recordar lo imaginan lo que dice en cats ya que tenemos está se está del tap parece una y tenemos la t ú s iguala m.cats vamos a usar la masa del cobre 0.5 kilogramos de cobre por su calor específico que es de 387 jules kilogramos celsius x el cambio de temperatura no se la temperatura final pero sí conozco la temperatura inicial vamos a llamar a este dato que no se te eje temperatura fin el menos mi temperatura inicial que si la tengo y es de 90 grados celsius más el calor ganado por el agua que podemos usar la misma fórmula para calcularlo la más de dos kilogramos el calor específico es de 4 mil 186 jules kilogramos celsius la temperatura final aquí también la desconozco la nombró tgf igual y le restó la temperatura inicial ésta sí la conozco 20 grados celsius y tengo que lograr que todo esto sea igual a cero y esto puede lucir un poco intimidante porque es una ecuación bastante grande y tenemos nuestra interrogante metida por acá y que se pregunten bueno esto tiene solución sí sí tiene solución sólo tenemos una incógnita que este final estas dos son la misma variable es la temperatura en la que el agua y el cobre se van a equilibrar el número que vamos a encontrar de calcular toda esta parte naranja va a ser un número negativo pues el cobre va a perder energía calorífica y el término del agua va a ser un término positivo porque el agua va a ganar esa energía calorífica va a aumentar su temperatura ambos se van a cancelar dando no ser y es la condición que necesitamos así que sólo tendremos que encontrarte final vamos a hacer toda la multiplicación combinar los términos semejantes y después despejarte final para encontrar su valor multiplicamos todos los términos voy a combinar los términos de mitte final y los términos que no tienen la final y todo lo voy a poner del otro lado de la igualdad para calcular el valor de t final iba a resultar que me queda 21.58 grados celsius como temperatura fin él y cuando ven esto me puede decir un parece que nos equivocamos como es que es 21.58 grados celsius cuando la temperatura inicial del agua fue de 20 grados celsius apm se logró aumentar su temperatura casi dos grados y en efecto es lo que estamos diciendo este calor específico del agua es tan alto que le podemos agregar mucho calor y apenas va a aumentar su temperatura ahora también podemos tomar en cuenta que el contenedor en sí mismo pudo haber absorbido algo del calor por lo que pudimos agregar otro terminó aquí con referencia a la temperatura del contenedor y tomarlo en cuenta para esos cálculos o podemos agregar un cubo de otro material aquí y agregar a esa temperatura acá si sumamos el calor de todos los elementos involucrados en este sistema que podrían ganar calor o perder calor todo esto va a ser igual a cero ya que nada de la energía calorífica puede salir de aquí o puede entrar ese calor tiene que intercambiarse con los elementos que se encuentran aquí adentro ningún calor se va a crear o se va a destruir simplemente se va a transferir entre los materiales que se encuentran aquí adentro esto es la clave para resolver este tipo de problemas de calor específico lo dejamos de esta forma y después calculamos nuestra incógnita que es la temperatura final quizás en algunas ocasiones no sepamos cuál va a ser la masa de algún material o el calor específico de algún otro material sin embargo vamos a despejar en términos de lo que queremos calcular hagamos otra pregunta digamos que tomamos la misma cantidad de agua 2 kilogramos con una temperatura de 20 grados celsius pero ahora quiero saber cuándo calor debo agregar para que esta agua se vuelva a vapor que toda esta agua hierva y se vuelva por lo primero que tenemos que hacer es llevar todo esto a la temperatura de ebullición la temperatura de ebullición del agua es de 100 grados celsius primero tengo que usar m-cat ms de la t la masa de dos kilogramos el calor específico es de 4 mil 186 yus por kilogramo grados celsius el canal temperatura si sabemos que la temperatura de ebullición del agua es de 100 grados celsius y sabemos que la temperatura inicial es de 20 grados celsius tenemos que tener final es 100 grados celsius de iniciales 20 grados celsius por lo que el calor necesario para llevar a esto su punto de ebullición es de 669 mil 760 más o menos aproximadamente yus pero esto no es lo suficiente para que hierva oeste en ebullición toda el agua apenas es la temperatura necesaria para que esta agua alcance los 100 grados celsius esto no es suficiente si ustedes eleva la temperatura del agua a 100 grados celsius y la dejan así va a permanecer así y no va a hervir nova burris tenemos que seguir agregando calor para que se dé esto que tanto más calor hay que agregar una vez que nuestra agua ha alcanzado la temperatura de 100 grados celsius para que volvamos toda esta agua vapor para esto necesitamos conocer el calor de fusión y vaporización en este caso como está hirviendo vamos a necesitar el calor de vaporización ya que estamos volviendo un líquido en vapor si pasamos de un sólido a un líquido sería fusión la fórmula de calor de fusión o vaporización es q la cantidad de calor que tenemos que agregar para cambiar la fase de este material el calor de fusión vaporización nos hace que cambiemos de fase y el calor específico se refiere a que tanta cantidad de calor es necesaria para cambiar la temperatura a 80 grados celsius y este otro cálculo nos dice que una vez que ya llegamos a los 100 grados celsius que tanto calor hay que agregar demás para lograr el cambio de fase de toda esta agua hacia vapor la fórmula del calor de fusión o vaporización luce asi q es igual a m por l m es la masa mientras más masa tengamos más calor tendremos que agregar para hacer el cambio de fase ls el calor latente de fusión o de vaporización y es un número parecido al calor específico pero en lugar de decirnos que tanto calor tenemos que agregar para lograr un cambio de temperatura esto nos dice que tanto calor tenemos que agregar para hacer el cambio de fase y resulta que el calor latente de vaporización del agua es algo enorme son dos millones 260 mil jules por kilogramo se requieren dos millones 260 mil jules para vaporizar un kilogramo de agua que ella se encuentre a 100 grados celsius de temperatura y transformar esto en un kilogramo de vapor así que si yo quiero transformar estos dos kilogramos de agua en vapor a partir de los 20 grados celsius que ya tiene de temperatura tengo que agregarle el calor calculado con mc del tate para llegar a los 100 grados celsius y a esto tengo que agregarle otra cantidad de calor la cantidad m por l 2 kilogramos de masa por l que son dos millones 260 mil yours por kilogramo así que necesitamos de 669 mil 760 jules para lograr que el agua alcance los 100 grados celsius de temperatura y a esto hay que agregarle otros 4 millones 520 mil jules para lograr transformar todo esto en vapor y en total necesitamos cinco millones 189 mil 760 jules para llevar esta agua desde los 20 grados celsius y transformarla en dos kilogramos de vapor ahora una cosa más que les quiero mostrar y vamos a limpiar lo que hicimos anteriormente es que imaginemos que en lugar de iniciar con agua comenzamos con un gran pedazo de hielo de 3 kilogramos de más y esto está muy frío no está a cero grados eso tiene una temperatura inicial de menos 40 grados celsius lo que yo quiero saber es qué tanto calor hay que agregar para volver este bloque de tres kilogramos de hielo en 3 kilogramos de vapor de agua pero no quiero llegar sólo a que se transforma en vapor quiero que este vapor tenga una temperatura final de 160 grados celsius cuánto calor tengo que agregar aquí para poder llevar esto de un bloque de hielo con temperatura inicial de menos 40 grados celsius hasta vapor de agua con una temperatura final de 160 grados celsius para que puedan visualizar mejor esto voy a graficar la temperatura en mi eje vertical como función de que tanto calor se le agregan system permítame mostrarles cómo no hacer esto una aproximación no muy buena podría ser m porsche del datem ms 3 kilogramos missem ahorita vemos cuál es el valor de ésta se divide el tate pues es mi temperatura final 160 grados menos de temperatura inicial que es menos 40 y pues aquí escribo mi calor específico a gomis cálculos y y pues ya obtengo mi temperatura pero esto no lo podemos hacer así en primera que el calor específico vamos a usar el calor específico del agua el calor específico del hielo de agua o el calor específico del vapor de agua todos tienen un calor específico diferente y en segundo lugar vamos a tener cambios de fase primero el hielo se va a volver agua más adelante el agua se va a transformar en vapor y no podemos dejar de lado estos cambios dejase por lo que esto no es la forma de resolverlo lo que debemos hacer es comenzar con nuestros menos 40 grados celsius sé que esto está por encima del eje de aquí pero imaginamos que este punto de aquí este origen no comiencen 0 al menos en el eje vertical y vamos a ir agregando calor que nos va a llevar esta temperatura a cero grados y aquí tenemos que detenernos cuando llegamos a cero grados vamos a tener un cambio de fase y tenemos que detenernos en cada cambio de fase cuánto calor corresponde esta parte de aquí usamos o igual a mc del date ms 3 kilogramos el calor específico del hielo es de 2 mil 90 jules kilogramos celsius la temperatura finales 0 - la temperatura inicial que es menos 40 y no nos olvidemos de incluir este signo negativo si calculamos todo esto obtenemos que el calor necesario es de 250 mil 800 jules pero esto sólo es para llevar el hielo al punto en el que comienza a derretirse pero tenemos que repetirlo cómo vamos a ver esto mientras se está derritiendo el hielo bueno pues la temperatura va a lucir constante conforme derretimos el hielo la temperatura no va a cambiar y toda esa energía se va a ocupar en romper todos estos enlaces convirtiendo este hielo en agua a cuánto calor corresponde este segmento de acá es un cambio de fase tenemos que usar la fórmula correspondiente tenemos que usar q igual a m l m 6 kilogramos el calor latente de aquí no va a ser el mismo que usamos anteriormente que era el de vaporización este calor latente tiene que ser el que corresponde a un sólido volviéndose líquido es el calor de fusión lo que necesitamos y al calor de fusión latente para el agua es de 333 mil lulz por kilogramo lo que nos da 999.000 jules de calor y esto es solamente para volver este hielo que está a una temperatura de cero grados celsius en agua que estará a cero grado celsius y ahora pueden darse cuenta de cómo funciona esto vamos a tomar esta agua de cero grados hasta qué temperatura no hasta 160 sino hasta 100 grados celsius ya que es en esa temperatura cuando comienza a transformarse en vapor recordamos que cada que hay un cambio de fase tenemos que hacer una pausa y el calor específico va a cambiar de valor esta q que necesitamos aquí la calculamos usando m porsche por del date el calor específico del agua es 4.186 jules por kilogramo grado celsius del tate es mi temperatura final 100 grados celsius - mi temperatura inicial que cero grados y nos da un millón 255 mil 800 jules y ahora que comenzamos a transformar esa agua en vapor que tanto calor nos va a requerir transformar toda el agua en vapor es un cambio de fase tenemos que usar esta otra fórmula uu iguala m por l m es 3 kilogramos el calor latente de la vaporización del agua es de dos millones 260 mil jules por kilogramos celsius y el resultado es 6 millones 780 mil jules para transformar esta agua en vapor pero tenemos que hacer una cosa más ya que tenemos este vapor a 100 grados celsius pero no queremos llevar a vapor con una temperatura de 160 grados celsius por lo que tenemos que volver a usar la fórmula de cv iguala a m por sede el tate la masa del vapor es de 3 kilogramos el calor específico de vapor de 2010 yus por kilogramo grados celsius en la temperatura final es 160 grados - la temperatura inicial que es de 100 grados lo que nos da 361.800 jules y esto es todo el calor que necesitamos para lograr transformar ese cubo de hielo que está a menos 40 grados celsius en vapor de agua que tiene 160 grados celsius de temperatura