El concepto de energía térmica

CALOR

Está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico, un ejemplo seria: una bebida fría dejada en una habitación se entibia.

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica.

Generalmente en la mayoría de los países, se habla ya de calor cuando la temperatura supera los 26 ºC en cualquier hora del día, aunque varía mucho según la estación del año en que se encuentre una persona. Por ejemplo, 20º C en verano es considerado una temperatura fresca, mientras que en invierno, esta temperatura es considerada templada o cálida.

El fenómeno "ola de calor"(es un periodo prolongado, excesivamente cálido, que puede ser también excesivamente húmedo) se da cuando las temperaturas diurnas superan los 32 ºC y las nocturnas o al amanecer no bajan de los 23 ºC por 3 días y es común en casi todo tipo de climas en época veraniega, a excepción de los países cerca de los polos, con clima templado y polar, cuando es muy infrecuente o casi nulo, y se hace más frecuente cuando los países están más cerca de los trópicos (países con climas tropical y subtropical). Esta denominación de ola de calor no quiere decir necesariamente calor excesivo ni temperaturas inusuales para la estación; pretende alertar sobre consecuencias perjudiciales en personas o colectivos vulnerables.

El ser humano siente más calor cuando hay más humedad en el ambiente. Por ejemplo, una temperatura de 30 ºC, pero con humedad ambiental del 10%, se sentirá como si el ambiente fuese de solo 28º C. Pero con humedad ambiental del 90%, se sentirá como si el ambiente fuese de 40 ºC.

Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Joule.

Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C.

Diferentes condiciones iníciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición.

1 kcal = 1000 cal

Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

1 cal = 4,184 J1

Calor Específico

Es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia. Es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:

Donde:

• es el calor aportado al sistema.

• es la masa del sistema.

• es el calor específico del sistema.

• es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Las unidades más habituales de calor específico son J / (kg • K) y cal / (g • °C).

El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante. Asimismo, también se diferencia del proceso que se lleve a cabo, distinguiéndose especialmente el "calor específico a presión constante" (en un proceso isobárico) y "calor específico a volumen constante (en un proceso isocórico).

De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:

Calor Específico Molar

El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:

Donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente.

Calor de Reacción

En un sistema termodinámico cerrado en el que tenga lugar una reacción:

aA + bB cC + dD

Se produce una rotura de enlaces y formación de otros, por lo que habrá una variación de la energía interna del sistema.

Se denomina calor de reacción a la cantidad de energía calorífica que el sistema ha de ceder o absorber para que la temperatura permanezca constante durante todo el proceso de la reacción química.

Si el medio exterior recibe energía la reacción se denomina exotérmica y si el sistema absorbe energía se llama endotérmica. En las reacciones exotérmicas, se necesita menos calor para romper los enlaces del que se desprender al formar los nuevos, y en las reacciones endotérmicas, ocurre al contrario, se necesita más calor para romper los enlaces del que se desprende al formar los nuevos.

De acuerdo con el criterio termodinámico de signos, para una reacción exotérmica, el calor de reacción será negativo y para una endotérmica será positivo.

Si la reacción es a volumen constante: DU = Qv

Reacciones de este tipo pueden ser:

a. Reacciones que se producen en un recipiente cerrado.

b. Reacciones entre sólidos o líquidos sin desprendimiento de gases.

c. Reacciones entre gases en las que el número de moles permanece constante.

Si la reacción se realiza a presión constante, el calor de reacción Qp es igual a la variación de la entalpía: Qp = DH

Ahora bien, para poder comparar los calores de reacciones distintas es preciso conocer bajo qué condiciones se están llevando a cabo y el estado físico de los distintos componentes de la reacción (gas, líquido o sólido). Para ello se define un estado estándar o condiciones estándar que corresponde a la forma física más estable de cualquier cuerpo puro a la presión de 1 atm y 25ºC, (a diferencia de las condiciones normales que tienen lugar a presión 1 atmósfera y temperatura 0º C).

Las entalpías determinadas en condiciones estándar se denominan entalpías estándar y se representan de la siguiente manera: Hº.

Calor de Formación

El calor de formación de un compuesto se refiere al intercambio energético durante la síntesis de un mol de ese compuesto a partir de sus elementos en un estado estándar o de referencia. Por lo común, estas reacciones son exotérmicas, lo cual se denota escribiendo un signo negativo. El calor de formación del agua es -286.3 kJ/mol.

Los combustibles, ya sean para el horno, automóvil o cohete, son sustancias ricas en energía y los productos de combustión son sustancias energéticamente pobres.

En estas reacciones de combustión, la energía producida puede ser muy alta y los productos de la acción química pueden ser de muy poco interés comparados con la cantidad de energía calorífica desprendida. La combustión de un mol de carbón puro (grafito) proporciona 393.9 kJ de energía calorífica:

C(s) + O2(g) + CO2(g) H=-393.9 kJ

El calor de reacción desprendido en la combustión completa de un mol de una sustancia se llama calor de combustión de la sustancia.

Calor de Solución

Es la variación de entalpia relacionada con la adición de una cantidad determinada de soluto a una cantidad determinada de solvente a temperatura y presión constantes.

El proceso de disolución del Cloruro de Sodio en agua requiere energía, ya que deben separarse el Na+ y el Cl- que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas en el cristal y posteriormente solventares en el solvente quedando al estado de iones en la solución. El balance energético de estos procesos puede dar un resultado positivo o negativo, es decir, en algunos casos se requiere energía para disolver un sólido y en otros casos se desprende energía, también en forma de calor. En el caso particular de una disolución, el calor desprendido o absorbido se llama “Calor de Disolución”, o mejor “Entalpía de Solución”, D Hsoln.

El proceso de disolución del Na Cl en agua, se puede representar por:

Na Cl (s) —H2O→ Na+ (ac) + Cl- (ac) D Hsoln = 4,0 kJ

Capacidad Calorífica

Es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por , se acostumbra a medir en J/K, y se define como:

Dado que:

De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:

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