Calor

De WikiLingua.net

El Sol. La energía de las estrellas procede de reacciones de fusión nuclear
El Sol. L'energia de les estrelles procedeix de reaccions de fusió nuclear

La calor és una forma d'energia associada al moviment dels àtoms, molècules i altres partícules que formen la matèria. La calor pot ser generat per reaccions químiques (com en la combustió), nuclears (com en la fusió nuclear dels àtoms d'hidrógeno que tenen lloc en l'interior del Sol), disipación electromagnètica (com en els forns de microones) o per disipación mecànica (fricció). El seu concepte està lligat al Principi Zero de la Termodinámica, segons el qual dos cossos en contacte intercanvien energia fins que la seva temperatura s'equilibri.

La calor pot ser transferido entre objectes per diferents mecanismes, entre els quals cap ressenyar la radiació, la conducció i la convección, encara que en la majoria dels processos reals tots els mecanismes anteriors es troben presents en major o menor grau.

La calor que pot intercanviar un cos amb el seu entorn depèn del tipus de transformació que s'efectuï sobre aquest cos i per tant depèn del camí. Els cossos no tenen calor, sinó energia interna. La calor és la transferència de part de dita energia interna (energia tèrmica) d'un sistema a un altre, amb la condició que estiguin a diferent temperatura. El científic escocès Lord Ewan D.Mcgregor va descobrir en 1905 la constant de la calor específica en l'ecuación de Q = m c (1calç/gºc) delta tº la qual cosa explica la utilitza amb l'escala Mcgregor descoberta en 1904 per la seva esposa Lady Emily Mcgregor ( 0ºC són 451ºm i 100 ºc són 4.51 ºm)

Taula de continguts

[editar] Història

Montaje experimental para la determinación del equivalente mecánico del calor
Muntatge experimental per a la determinació de l'equivalent mecànic de la calor


Fins al segle XIX s'explicava l'efecte de la calor en la variació de la temperatura d'un cos per mitjà d'un fluït invisible anomenat calórico. Aquest es produïa quan alguna cosa es cremava i, a més, que podia passar d'un cos a un altre. La teoria del calórico afirmava que una substància amb major temperatura que una altra, necessàriament, posseïa major quantitat de calórico.

Benjamin Thompson i James Prescott Joule van establir que el treball podia convertir-se en calor o en un increment de l'energia tèrmica determinant que, simplement, era una altra forma de l'energia.

La calor és una energia de nivell baix ja que el treball es pot transformar íntegrament en calor, però no al contrari, (Segon principi de la termodinámica).

[editar] Transferència de la calor

La calor es pot transmetre pel mig de tres formes distintes:


[editar] Fluït calorífico

La calor sempre es transfiere entre 2 cossos de diferents temperatures i el fluix de calor sempre ocorre des del cos de major temperatura cap al cos de menor temperatura, ocorrent la transferència de calor fins que ambdós cossos es trobin en equilibri tèrmic, val dir, a la mateixa temperatura.

[editar] Unitats de mesura

Tradicionalment, la quantitat d'energia tèrmica intercanviada es mesura en calories, que és la quantitat d'energia que cal subministrar a un gram d'aigua per a elevar la seva temperatura de 14.5 a 15.5 graus celsius. El múltiple més utilitzat és la quilocaloria (kcal):


1\, kcal = 1000\, cal


D'aquí es pot deduir el concepte calor específica d'una substància, que es defineix com l'energia necessària per a elevar la temperatura d'un gram de dita substància un grau celsius, o bé el concepte capacitat calorífica, análogo a l'anterior però per a una massa d'un mol de substància (en aquest cas és necessari conèixer l'estructura química de la mateixa).

Joule, després de múltiples experimentacions en les quals el moviment d'unes pales, impulsades.per un joc de peses, es movien en l'interior d'un recipient amb aigua, va establir l'equivalent mecànic de la calor, determinant l'increment de temperatura que es produïa en el fluït com conseqüència dels rozamientos produïts per l'agitació de les pales:


1\, cal = 4,186\, joule


El joule (J) és la unitat d'energia en el Sistema Internacional d'Unitats, (S.I.).

El BTU, (o unitat tèrmica britànica) és una mesura per a la calor molt usada a Estats Units i en molts altres països d'Amèrica. Es defineix com la quantitat de calor que s'ha d'agregar a una lliura d'aigua per a augmentar la seva temperatura en un grau Fahrenheit, i equival a 252 calories.

[editar] Calor Específica

Article principal: Calor específica

En la vida quotidiana es pot observar que, si se li lliura calor a dos cossos de la mateixa massa i la mateixa temperatura inicial, la temperatura final serà distinta. Aquest factor que és característic de cada sistema, depèn de la naturalesa del cos, es diu calor específica, denotat per c i es defineix com la quantitat de calor que se li ha de lliurar a 1 gram de substància per a augmentar la seva temperatura en 1 grau Celsius. Matemáticamente, la definició de calor específica s'expressa com:

c = {Q \over m\Delta\;t}

Les unitats de calor específica són:

[c] = {J \over kg K}
[c] = {cal \over g C}

D'aquesta forma, i recordant la definició de caloria, s'ha de la calor específica de l'aigua és aproximadament:

c_{H_2O} = 1,000 \left [ \frac{cal}{gC} \right ]


[editar] Calor Específica Molar

La calor específica d'una substància és un índex important de la seva constitució molecular interna, i sovint dóna informació valuosa dels detalls de la seva ordenació molecular i de les forces intermoleculares. En aquest sentit, amb freqüència és molt útil parlar de calor específica molar denotat perc m, i definit com la quantitat d'energia necessària per a elevar la temperatura d'un mol d'una substància en 1 grau és a dir, està definida per:

c_m = {Q \over n\Delta\;t}


on n indica el la quantitat de moles en la substància present.

[editar] Capacitat Calórica

La capacitat calórica d'una substància és una magnitud que indica la major o menor dificultat que presenta dita substància per a experimentar canvis de temperatura sota el subministrament de calor. Es denota per C i es defineix com:

C = {Q \over \Delta\;T} \left [ \frac{J}{K} \right ]

Atès que:

c = {Q \over m\Delta\;T} \Longrightarrow \; mc = {Q \over \Delta\;T}

\Longrightarrow \; C = mc

D'igual forma es pot definir la capacitat calórica molar com:

Cn = nc

[editar] Canvis de Fase

En la naturalesa existeixen tres estats usuales de la matèria : sòlid, líquid i gasós. A l'aplicar-li calor a una substància, aquesta pot canviar d'un estat a un altre. A aquests processos se'ls coneix com Canvis de Fase. Els possibles canvis de fase són:

  • d'estat sòlid a líquid, cridat fusió,
  • d'estat líquid a sòlid, anomenat solidificación,
  • d'estat líquid a gasós, anomenat evaporación o vaporización,
  • d'estat gasós a líquid, anomenat condensación,
  • d'estat sòlid a gasós, anomenat sublimación progressiva, i
  • d'estat gasós a sòlid, anomenat sublimación regresiva.

[editar] Calor Latent

Article principal: Calor latent

Un cos sòlid pot estar en equilibri tèrmic amb un líquid o un gas a qualsevol temperatura, o que un líquid i un gas poden estar en equilibri tèrmic entre si, en una àmplia gamma de temperatures, ja que es tracta de substàncies diferents. Però el que és menys evident és que dues fases o estats d'agregación, distintes d'una mateixa substància, puguin estar en equilibri tèrmic entre si en circumstàncies apropiades.

Un sistema que consisteix en formes sòlida i líquida de determinada substància, a una pressió constant donada, pot estar en equilibri tèrmic, però únicament a una temperatura cridada punt de fusió simbolitzat de vegades com tf. A aquesta temperatura, es necessita certa quantitat de calor per a poder fondre certa quantitat del material sòlid, però sense que hi hagi un canvi significatiu en la seva temperatura. A aquesta quantitat d'energia se li crida calor de fusió, calor latent de fusió o entalpía de fusió, i varia segons les diferents substàncies. Es denota perL f. La calor de fusió representa l'energia necessària per a desfer la fase sòlida que està estretament unida i convertir-la en líquid. Per a convertir líquid en sòlid es necessita la mateixa quantitat d'energia, per ells la calor de fusió representa l'energia necessària per a canviar de l'estat sòlid a líquid, i també per a passar de l'estat líquid a sòlid. La calor de fusió es mesura en:

[Lf] = \left [ \frac{cal}{g} \right ]

De manera similar, un líquid i un vapor d'una mateixa substància poden estar en equilibri tèrmic a una temperatura cridada punt d'ebullición simbolitzat pert i. La calor necessària per a evaporar una substància en estat líquid ( o condensar una substància en estat de vapor ) es diu calor d'ebullición o calor latent d'ebullición o entalpía d'ebullición, i es mesura en les mateixes unitats que la calor latent de fusió. Es denota perL i.

En la següent taula es mostren alguns valors dels punts de fusió i ebullición i entalpías d'algunes substàncies:

substàncies tf [°C] Lf [calç/g] ti [°C] Li [calç/g]
H20 0,00 79,71 100,00 539,60
O2 -219,00 3,30 -182,90 50,90
Hg -39,00 2,82 357,00 65,00
Cu 1083,00 42,00 2566,90

[editar] Propagació de la calor

La calor pot ser transmès de distintes formes: per conducció, per convección o per radiació.

  • La conducció és el procés que es produeix per contacte tèrmic entre dos cossos, a causa del contacte directe entre les partícules individuals dels cossos que estan a diferents temperatures, el que produeix que les partícules arribin a l'equilibri tèrmic.
  • La convección només es produeix en fluïts, ja que implica moviment de volums de fluït de regions que estan a una temperatura, a regions que estan a una altra temperatura. El transport de calor està inseparablemente lligat al moviment del propi mig.
  • La radiació tèrmica és el procés pel qual es transmet a través d'ones electromagnètiques. Implica doble transformació de l'energia per a arribar al cos al que es va a propagar: primer d'energia tèrmica a radiant i després viceversa.

Observacions:

  • La conducció pura es presenta només en materials sòlids.
  • La convección sempre està acompanyada de la conducció, a causa del contacte directe entre partícules de distinta temperatura en un líquid o gas en moviment.
  • En el cas de la conducció, la temperatura d'escalfament depèn del tipus de material, de la secció del cos i del llarg del cos. Això explica perquè alguns cossos s'escalfen més ràpid que uns altres malgrat tenir exactament la mateixa forma, i que se'ls lliuri la mateixa quantitat de calor. La conductividad tèrmica d'un cos està donat per:
\frac{Q}{\Delta\;t} = \frac{kA\Delta\;T}{L}

on

Q és la calor lliurada,
Δt és l'interval de temps durant el qual es lliuro calor,
A és la secció del cos,
L és el llarg, i
ΔT és l'increment en la temperatura.

[editar] Mesura experimental de la calor

Per a determinar, de manera directa, la calor que es posa de manifest en un procés de laboratori, se sol emprar un calorímetro. En essència, es tracta d'un recipient que conté el líquid en el qual es va a estudiar la variació d'energia per transferència de calor i les parets de la qual i tapa (suposadament adiabáticas) han d'aïllar-ho, al màxim, de l'exterior.

Un termo de parets dobles de vidre, les superfícies del qual han estat prèviament metalizadas per deposición i que presenta un espai buit entre elles és, en principi, un calorímetro acceptable per a una mesura aproximada de la transferència de calor que es manifesta en una transformació tan senzilla com aquesta. El termo es diu got Dewar i porta el nom del físic i químic escocès James Dewar pioner en l'estudi de les baixes temperatures. En la tapa aïllant sol haver-hi un parell d'orificis per a introduir un termòmetre, amb el qual s'avaluaria l'increment (o decremento) de la temperatura interior del líquid, i un agitador per a tractar d'aconseguir l'equilibri tèrmic en el seu interior, el més ràpid possible, usant un senzill mecanisme de conveccón forçada.

No només el líquid contingut en el calorímetro absorbeix calor, també ho absorbeix les parets del calorímetro. El mateix succeeix quan perd calor. Aquesta intervenció del calorímetro en el procés es representa pel seu equivalent en aigua. La presència d'aquestes parets, no ideals, equival a afegir al líquid que conté, els grams d'aigua que assignem a la influència del calorímetro i que cridem "equivalent en aigua". El "equivalent en aigua" ve a ser "la quantitat d'aigua que absorbeix o desprèn la mateixa calor que el calorímetro".

[editar] Vegi's també