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Capacidad calorífica

La capacidad calórica es la cantidad de calor que permite variar, en un grado, la temperatura de un cuerpo. Expresada en fórmula: donde: = capacidad calórica; = cantidad de calor; = variación de temperatura

El calor específico es la cantidad de calor cedido o absorbido por un gramo de una sustancia, para variar su temperatura en un grado Celsius. donde: = calor específico; = capacidad calórica; = masa

y el calor necesario para producir un cierto aumento de temperatura es

Calor, una forma de energía

Calorimetría

Según las teorías que iniciaron el estudio de la calorimetría, el calor era una especie de fluido muy sutil que se producía en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observó que, cuando se ejercía un trabajo mecánico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), aparecía calor; hecho que contradecía el principio de conservación de la energía, ya que desaparecía una energía en forma de trabajo mecánico, además de que se observaba la aparición de calor sin que hubiese habido combustión alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando dirigía unos trabajos de barrenado de cañones observando que el agua de refrigeración de los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postuló la teoría de que el calor era una forma de energía. Thompson no consiguió demostrar que hubiese conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor, debido a la imprecisión en los aparatos de medidas que usó. Posteriormente, Prescott Joule logró demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor.

Equivalencia mecánica del calor

La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 joules. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.

Conducción térmicaPara que el calor pase o se transmita de un cuerpo a otro, se requiere que los mismos estén a diferentes temperaturas. Sean A y B dos fuentes que se hallan separadas, siendo sus temperaturas y ( mayor que ). El calor pasara desde A hacia B, hasta que se produzca el equilibrio térmico

Formas de propagación del calor

Conducción

Es una forma de transmisión del calor que se origina en sólidos, en los cuales la energía térmica (en forma de energía cinética) se propaga por vibración de molécula a molécula.

LLa expresión que rige la transmisión del calor en la unidad de tiempo por conducción en una pared plana o con un radio de curvatura mucho mayor que el espesor es

,

siendo:

, el flujo de calor por unidad de tiempo;

, el coeficiente de conductivilidad térmica, que depende del material;

, el área de la barrera que permite la conducción térmica entre los sistemas;

, el espesor de la pared;

, la diferencia de temperaturas entre las caras de la pared.

Si el flujo de calor es a través de varias barreras, se puede generalizar la expresión para dar

Convección

Movimiento por convección

Es una forma de propagación del calor se produce en los fluidos (líquidos y gases ) por un movimiento real de la materia. Este movimiento se origina por la disminución de la densidad de los fluidos con el aumento de temperatura (los hace mas livianos por unidad de volumen) que produce un ascenso de los mismos al ponerse en contacto con una superficie mas caliente y un descenso en el caso de ponerse en contacto con una superficie mas fría.

La expresión que rige la transmisión del calor por convección es

,

siendo

, el flujo de calor por unidad de tiempo;

, el coeficiente de transmisión de calor;

, el área de contacto entre el fluido y la pared;

es la diferencia de temperaturas entre el fluido y la cara de la pared en contacto con él.

Radiación

Todos los cuerpos irradian energía en forma de onda electromagnética , similares a las ondas de radio, rayos x , luz, etc. Lo único que difiere en estos distintos tipos de ondas es la longitud de onda o frecuencia.

El calor por radiación al igual que estas ondas se propaga a la velocidad de la luz (3•108 m/s en el vacío) y no necesita de un medio para poder propagarse. Se transmite a través del vacío mejor que a través del aire ya que este siempre absorbe parte de la energía.

La función que rige esta forma de propagación de la energía es la ley de Stefan – Boltzman

,

siendo

, el flujo de calor por unidad de tiempo;

, el área;

, la emisividad de la superficie, que varía entre 0 y 1 (cuerpo negro);

, la constante de Stefan–Boltzman, que vale ;

es la temperatura absoluta del cuerpo

Todos los cuerpos irradian y reciben energía irradiada por otros cuerpos por lo tanto la energía neta irradiada es la diferencia entre la irradiada y la recibida la cuales se expresa (=

,

siendo

la temperatura del cuerpo 1

la temperatura del cuerpo 2

el coeficiente de radiación mCalor

Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron.

Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson (conde de Rumford), según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo».

Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.

Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buenos muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

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. 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.

Transferencia de Calor

En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que

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