El Calor

Solapas principales

El calor es una forma de intercambio energético entre el sistema y sus alrededores debida a una diferencia de temperatura.  Los sistemas termodinámicos no poseen calor, poseen energía, y una de las formas en que intercabian esta energía es el calor.

El calor siempre fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta alcanzar el equilibrio térmico, en cuyo momento las temperaturas de ambos cuerpos se igualan.

La transferencia de calor no solo puede causar cambios de temperatura, también puede dar lugar a cambios en el estado de agregación de la materia, fusión de sólidos, vaporización de líquidos.... Durante estos cambios de fase la temperatura permanece constante, empleándose la energía calorífica en vencer las fuerzas de interacción entre las moléculas que componen en sólido, en el caso de la fusión.  En la vaporización la energía calorífica se utiliza para vencer las fuerzas entre moléculas de líquido y permitir que pasen a fase vapor.

La cantidad de calor que hay que suminitrar a una sustancia para modificar su temperatura dependerá de:

  • el cambio de temperatura que sufre la sustancia.
  • la masa de sustancia
  • el tipo de sustancia

Teniendo en cuenta estos tres factores podemos formular la siguiente ecuación:

$q=mc_e\Delta T$

Siendo:

$q$: cantidad de calor necesario para elevar la temperatura del cuerpo en un $\Delta T$

$m$: masa del cuerpo.

$c_e$: calor específico del cuerpo.

$\Delta T$: cambio de temperatura.

Veamos un ejemplo:

¿Cuánto calor hace falta para elevar la temperatura de 100 g de agua de 20 a 80ºC?.  El calor específico del agua es de 4.18 J/gºC.

Aplicamos la ecuación $q=mc_e \Delta T$.

Donde:

$m=100\;g$

$c_e=4.18\;J/gºC$

$\Delta T=80-20=60\;ºC$

$q=100\;g\cdot 4.18\;J/gºC \cdot 60ºC=25080\;J$

 

Criterio de signos:

En la equación $q=mc_e\Delta T$, cuando se produce una elevación de temperatura en el cuerpo $\Delta T>0$, por lo quecalor intercambiado tiene signo positivo $q>0$, es un calor que entra en el sistema aumentando su temperatura.

En el caso de que se produzca una disminución de temperatura del sistema $\Delta T<0$ y $q<0$, en este caso el calor sale del sistema hacia el entorno.

Resumiendo:

  • $q>0$, si el calor va desde el sistema hacia el entorno (calor absorbido por el sistema).
  • $q<0$, si el calor va desde el entorno hacia el sistema (calor cedido por el sistema)

Otro concepto de gran importancia es la ley de la conservación de la energía.  En las interacciones entre el sistema y el entorno la energía se conserva.  La energía que el sistema cede el entorno la absorbe y viceversa.  Esta ley de conservación energética la podemos expresar en forma de los calores intercambiados entre sistema y entorno de la siguiente forma:

$q_{sistema}+q_{entorno}=0$

Lo que equivale a:

$q_{sistema}=-q_{entorno}$

El calor que cede el sistema lo ganan su alrededores y viceversa.