ENERGIA EN PROC. TER.-JULIO 2020

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TEMA: 2 ENERGÍA EN PROCESOS 
TÉRMICOS
(CALOR: ENERGÍA TÉRMICA EN 
TRÁNSITO)
1. CALOR: ENERGÍA TÉRMICA EN TRÁNSITO
1.1. ENERGÍA TÉRMICA
La energía térmica de un cuerpo es la sumatoria de las 
energías de agitación de sus partículas y depende de 
la temperatura del cuerpo y del número de partículas.
1.2. CALOR: Q
Calor (Q) es la energía térmica en tránsito entre 
cuerpos a diferentes temperaturas.
UNIDAD USUAL DEL CALOR: Q
Como el calor es una forma de energía, su unidad en 
el SI es el JOULE (J). Pero también es muy usada una 
unidad práctica denominada CALORÍA (Cal).
"Una caloría (cal) es la cantidad de calor que 1 
gramo de agua debe recibir a la presión normal, 
para que su temperatura sea elevada de 14,5°C a 
15,5°C".
La relación entre las unidades Joule (J) y caloría 
(cal) es:
1cal = 4,186 J
A esta relación se lo conoce como el EQUIVALENTE 
MECÁNICO DEL CALOR
(J): J = 4,2 Joules/caloría
También es muy común encontrarnos con múltiplo 
de la caloría denominado Kilocaloría 
(Kcal): 1Kcal = 1000 cal.
1.3 CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE
Cuando un cuerpo recibe o cede una cierta cantidad 
de energía térmica, se observa, como consecuencia, 
una variación de su temperatura o un cambio en su 
estado físico.
Cuando el efecto producido es una variación de 
temperatura, diremos que el cuerpo recibe CALOR 
SENSIBLE.
Si el efecto se traduce por cambio de estado, el calor 
recibido por el cuerpo se llama CALOR LATENTE.
De modo análogo, cuando un cuerpo cede calor, si 
hubiera disminución de temperatura, se dice que el 
cuerpo pierde calor sensible; si hubiera cambio de 
estado, el cuerpo habrá perdido calor latente.
1.4. CAPACIDAD CALORÍFICA O CAPACIDAD TÉRMICA 
(C) Y CALOR ESPECÍFICO (c)
Si tomamos un cuerpo de masa m a la temperatura 
inicial T1 y le entregamos a él una cantidad de calor Q, 
su temperatura pasa a ser T2, sufriendo una variación 
correspondiente a ∆T=T2 – T1.
Se define la CAPACIDAD CALORÍFICA (C) de un cuerpo 
como el cociente.
C =
Q
∆T
cal
°C
O sea: "La capacidad calorífica (C) de un cuerpo indica 
la cantidad de calor que el cuerpo precisa para recibir 
o ceder para que su temperatura varíe en una unidad".
La capacidad calorífica por unidad de masa del 
cuerpo se denomina CALOR ESPECIFICO (c) dada 
usualmente por la unidad cal /g°C.
Entonces,
“El calor específico (c) indica la 
cantidad de calor que cada unidad 
de masa del cuerpo precisa recibir 
o ceder para que su temperatura 
varíe en una unidad”
También: C= mc
c =
C
m
=
Q
m∆T
⟹
A partir de las definiciones anteriores se puede 
enunciar que:
"La cantidad de calor Q recibida (o cedida) por un 
cuerpo es directamente proporcional a su masa m y a 
su variación de temperatura ∆T sufrida por el cuerpo".
De aquí se tiene: Q = mc∆T (Ecuación fundamental de 
la CALORIMETRÍA)
Observe que la variación de temperatura está dada 
por:
∆T = Tfinal − Tinicial
A partir de aquí se constata que, si la temperatura 
aumenta, Tf>Ti y ∆T> 0; en ese caso, la cantidad de 
calor Q es positiva. Si la temperatura disminuye Tf < Ti
y ∆T<0; en ese caso Q es negativa.
En la fórmula de la ecuación fundamental de la 
calorimetría (Q = mc∆T), el coeficiente 
proporcionalidad c es una CARACTERÍSTICA DEL 
MATERIAL que constituye el cuerpo, denominada 
calor específico, siendo sus unidades:
c =
C
m
=
Q
m∆T
Cada sustancia tiene un calor específico diferente, 
por ejemplo se tiene algunos valores: LATÓN: 0,092 
cal/g.°C; PLATA: 0,056 cal/g.°C; ORO: 0,032 cal/g.°C
NOTA 1: Para una sustancia dada, el calor 
específico depende del estado de agregación.
Tomando como ejemplo al agua, tenemos los 
siguientes valores para el calor específico, de acuerdo 
con cada estado físico:
HIELO: 0,50
cal
g.°C
; AGUA LÍQUIDA: 1
cal
g.°C
; VAPOR DE 
AGUA: 0,48 
cal
g.°C
NOTA 2: Se llama EQUIVALENTE EN AGUA de un 
cuerpo a la masa de agua cuya capacidad calorífica es 
igual a la capacidad calorífica del cuerpo. Por ejemplo, 
sea 𝐶 = 5
cal
°C
la capacidad calorífica del cuerpo. 
Siendo el calor especifico del agua Ca = 1cal/g °C, 
concluimos que el equivalente en agua del cuerpo es 
ma = 5 gramos.
1.5. SISTEMA FÍSICO TÉRMICAMENTE AISLADO: 
INTERCAMBIO DE CALOR. CALORÍMETRO
Un sistema físico esta TÉRMICAMENTE AISLADO 
cuando no existe intercambio de calor entre sus 
componentes y el medio externo.
En un sistema térmicamente aislado, los 
intercambios de calor ocurren apenas entre sus 
integrantes. Asimismo, toda la energía térmica que 
sale de algunos cuerpos es recibida por otros 
pertenecientes al propio sistema. Entonces, 
podemos enunciar el principio general que 
describe los intercambios de calor.
“Si dos o más cuerpos intercambian calor entre sí, la 
suma algebraica de las cantidades de calor 
intercambiadas por los cuerpos, hasta el 
establecimiento del equilibrio térmico es nula".
Dicho de otro modo, el principio fundamental de la 
calorimetría expresa: "Siempre que haya una 
transferencia de calor dentro de un sistema, la pérdida 
de calor por los cuerpos más calientes debe ser igual al 
calor ganado por los cuerpos más fríos”
 (Calor ganado por los cuerpos fríos) = 
− (calor pérdida por los cuerpos calientes)
 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑜 = − 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
También, 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜
O de manera equivalente: "La suma de los cambios de 
calor para todos los cuerpos es igual a cero".
 𝑄𝑘 = 0
 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜
EQUIVALENTE EN AGUA: E
En el cálculo de cantidades de calor intercambiadas 
entre cuerpos pertenecientes a un mismo sistema, se 
acostumbra usar un artificio que puede facilitar la 
determinación del resultado final. Teóricamente, se 
puede sustituir un determinado cuerpo por la masa de 
agua equivalente a él. 
Por tanto, esa masa de agua debe tener la misma 
capacidad térmica del referido cuerpo.
𝐶𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚𝑐 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 𝑚𝑐 𝑎𝑔𝑢𝑎
Simbolizando por E a la masa de agua expresada en 
gramos y sabiendo que el calor específico del agua vale 
1 cal/g.°C, se tiene:
𝑚𝑐 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 𝐸. 1
De aquí podemos decir que:
El equivalente en agua de un cuerpo es la masa E de 
agua que posee capacidad pérmica igual a la masa del 
cuerpo considerado, pudiendo sustituirse en las 
ecuaciones; de las cantidades de calor intercambiadas"
Explicación con un ejemplo:
Sea un cuerpo de masa igual a 100 gramos, 
constituido de un material de calor específico igual a 
0,4 cal/g.°C. calculemos la capacidad térmica de este 
cuerpo:
𝐶𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 𝑚𝑐 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 100 0,4 = 40 cal °C
Consideremos, también, una porción de agua de masa 
igual a 40 gramos y calcúlemos su capacidad térmica:
𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑐 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 40 1 ⇒ 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎 = 40 𝑐𝑎𝑙 °𝐶
De esto, concluimos que la capacidad térmica del 
cuerpo es igual a la porción de agua, lo que quiere 
decir que los intercambios de calor de ese cuerpo 
se comporta de modo equivalente a los 40 gramos 
de agua. Por eso decimos que el equivalente en 
agua del cuerpo es igual a 40 gramos.
𝐸𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 = 40 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠
Observe que la capacidad térmica del cuerpo, se 
expresa en cal/°C y su equivalente en agua se 
expresa en gramos, teniendo el mismo valor 
numérico.
EL CALORÍMETRO: La mezcla térmica de dos o más 
cuerpos, principalmente cuando uno de ellos está en 
estado líquido, requiere un recipiente adecuado. 
Algunos de estés recipientes poseen aparatos que 
permitan obtener, de forma directa o indirecta, el valor 
de las cantidades de calor intercambiadas entre los 
cuerpos.
A ese tipo de recipiente se lo denomina CALORÍMETRO
De modo general, el calorímetro es metálico (de 
aluminio o de cobre) y aislado térmicamente por un 
recubrimiento de isopor. También su tapa es de isopor, 
tiene un orificio por el cual se introduce un 
termómetro que indica la temperatura de la mezcla en 
observación.
El calorímetro no solo sirve como recipiente, sino 
que también participa de los
intercambios de calor recibiendo o cediendo calor 
para el contenido. Generalmente; no se dan el 
calor especifico del material del cualestá hecho ni 
su masa, pero si se da a conocer su equivalente en 
agua. De lo expuesto, podemos llegar a la relación: 
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝐸𝐻2𝑂
2. CAMBIOS DE FASE (cambios de estado físico)
Dependiendo del estado de agregación de sus 
partículas, una sustancia puede ser encontrada en 
tres estados físicos fundamentales: sólido, líquido y 
gaseoso.
En determinadas condiciones de presión y 
temperatura, una sustancia puede pasar de una 
fase a otra, ocurriendo entonces un cambio de tase 
o cambio de estado de agregación.
Los cambios de fase posibles de una sustancia y sus 
respectivos nombres se representan a continuación:
SÓLIDO
LIQUIDO
GASEOSO
Sublimación
Sublimación inversa
(Cristalización)
Veamos estos cambios de fase:
1) FUSIÓN: La fusión es el paso o tránsito del estado 
sólido al líquido, la transformación inversa de este 
cambio se denomina SOLIDIFICACIÓN.
2) VAPORIZACIÓN: La vaporización es el cambio del 
estado líquido al estado gaseoso. La transformación 
inversa de este cambio se denomina LICUACIÓN (ó 
condensación).
3) SUBLIMACIÓN: La sublimación es el cambio del 
estado sólido al gaseoso, sin que la sustancia pase 
por la fase intermedia, líquida. La transformación 
inversa también se denomina sublimación.
Es importante observar que la cantidad de calor que 
cada unidad de masa de una sustancia precisa 
recibir para sufrir la fusión es igual al que se precisa 
ceder para sufrir la transformación inversa, la 
solidificación, a la misma temperatura. Lo mismo 
vale para la vaporización y para la licuación.
2.1. LA CANTIDAD DE CALOR LATENTE: L
Definición: CALOR LATENTE "L" de un cambio de 
fase es la cantidad de calor que una sustancia 
recibe (ó cede) por unidad de masa, durante la 
transformación, manteniéndose constante la 
temperatura.
A partir de la definición se tiene que, siendo m la 
masa de un cuerpo que necesita cantidad Q de 
calor para sufrir un cambio de estado, vale la 
expresión.
𝑄
𝑚
= 𝐿 ⇒ 𝑄 = 𝑚𝐿
La magnitud L se denomina CALOR LATENTE y sus 
unidades son: cal/g.
Resumen: Podemos expresar que:
1) El calor latente de fusión - solidificación de una 
sustancia indica la cantidad de calor que cada 
unidad de masa precisa recibir para que ocurra su 
fusión o ceder para que ocurra su solidificación.
2) El calor latente de vaporización – licuación de 
una sustancia indica la cantidad de calor que cada 
unidad de masa precisa recibir para que ocurra su 
vaporización o ceder para que ocurra su licuación.
Se vio anteriormente que, para un cuerpo que 
recibe calor, la cantidad de calor intercambiado es 
positiva (Q> 0); y para el que cede calor, la cantidad 
intercambiada es negativa (Q< 0).
Del mismo modo, el calor latente podrá ser positivo 
o negativo, conforme al tipo de cambio de fase que 
ocurra ya sea con ganancia o pérdida de calor.
Por ejemplo:
FUSIÓN DEL HIELO (a 0°C): LF = 80 cal/g
SOLIDIFICACIÓN DEL AGUA (a 0°C): LS = - 80 cal/g
VAPORIZACIÓN DEL AGUA (a 100°C): LV = 540 cal/g
CONDENSACIÓN DEL VAPOR (a 100°C): LF = -540 cal/g
2.2. DESCRIPCIÓN DE LOS CAMBIOS DE FASE
2.2.1. LA FUSIÓN Y LA SOLIDIFICACIÓN
Consideremos un bloque de hielo, de masa m, 
inicialmente a -20°C, a la presión normal. Cuando le 
dotamos calor al hielo, sus partículas absorben 
energía, con la consecuente aumento de 
temperatura.
Ese proceso tiene un límite, esto es, existe una 
temperatura a la cual la estructura molecular de la 
sustancia no logra mantenerse, esta temperatura 
se llama TEMPERATURA DE FUSIÓN.
Al llegar o alcanzar la temperatura de fusión, la 
estructura molecular sólida se desmantela. Por 
tanto, se usa el calor recibido para que la sustancia 
se convierta en líquido. Este proceso se denomina 
FUSIÓN. Si después de esto, continuamos 
entregando calor, la temperatura del líquido 
aumentará.
Es importante destacar que la temperatura de 
fusión de una sustancia está bien determinada, 
dependiendo de la naturaleza de la sustancia y de 
la presión al cual está sujeta.
Para evitar complicaciones innecesarios, 
admitiremos, en nuestro estudio, que la presión 
permanece constante durante todo el proceso del 
cambio de estado físico. Suponiendo que el bloque 
de hielo señalado arriba es calentado de -20°C
hasta 40°C, vamos a analizar por partes este 
calentamiento.
PROCESO DE CALENTAMIENTO DE UN BLOQUE DE 
HIELO DE MASA m de -20°C a 40°C
Para calcular el calor total (Q) recibido por el 
sistema, usamos las fórmulas del calor sensible y 
latente estudiados:
Así, tenemos: Q = Q1 + Q2 + Q3
Q = (mc∆T)hielo + (m𝐿𝐹)hielo + (mc∆T)agua
Hielo Hielo
H2O H2O
Recibe 𝑄1
Calor sensible
a -20 °C a 0 °C agua 
a 0 °C
agua 
a 40 °C
Recibe 𝑄2
Calor latente
Recibe 𝑄3
Calor sensible
T (°C)
40
0
-20
Fusión
(S+L) Q 
(recibido)
Este proceso se puede representar gráficamente 
por la curva de calentamiento: El trecho 
correspondiente a la línea horizontal indica el 
cambio de estado físico (la FUSIÓN), pues la 
energía recibida no produce variación de 
temperatura, un cambio de estado en la 
agregación de las partículas del cuerpo.
Como sabemos, el proceso inverso de la fusión 
es la solidificación.
Para entender cómo se da esa transformación, 
retomamos al ejemplo anterior, considerando que el 
agua (a 40°C) vuelve a ser hielo (a - 20°C). 
Para que eso ocurra, es necesario que se retire calor 
del agua. Con eso, la energía cinética de traslación de 
sus partículas va disminuyendo, o sea, su 
temperatura se va reduciendo. 
La reducción cesará cuando el agua llegue a tener 
0°C. A partir de ahí, si se continua con el retiro de 
calor, las moléculas se recomponen a la estructura 
del estado sólido, disminuyendo la energía potencial 
de agregación, sin perjuicio de la temperatura.
Si después de la recomposición molecular (la 
solidificación), continuamos el retiro calor del agua, 
la temperatura volverá a disminuir. Ese 
enfriamiento se esquematiza a continuación:
PROCESO DE ENFRIAMIENTO DE UNA MASA DE 
AGUA DE 40°C a -20°C
cede 𝑄1
calor sensible
cede 𝑄2
calor latente
cede 𝑄3
calor sensible
HieloHielo
H2OH2O
a -20 °Ca 0 °Cagua 
a 0 °C
agua 
a 40 °C
La cantidad de calor (𝑄) cedida está dada por:
𝑄 = 𝑄3 + 𝑄2 + 𝑄1
𝑄 = (mc∆T)agua + (m𝐿𝑠)agua + (mc∆T)hielo
Los módulos de Ls y LF son iguales, pero 
convencionalmente LF es positivo (calor recibido) y 
Ls es negativo (calor cedido)
La curva de enfriamiento se representa a 
continuación.
T (°C)
40
0
-20
Solidificación
(L+S) Q (cedido)
2.2.2. LA VAPORIZACIÓN Y LA LICUACIÓN
Def.: la licuación o condensación es el cambio de 
una sustancia de estado gaseoso al estado líquido.
Y se llama VAPORIZACIÓN al cambio de una 
sustancia del estado líquido al estado gaseoso (se 
recibe calor).
Los dos principales proceso de vaporización son: 
La EBULLICIÓN y la evaporización.
A fin de ver de modo completo estos procesos, 
observemos el calentamiento de un bloque de 
hielo de masa m que está a -20°C siendo calentado 
a 120°C a presión normal.
Evidentemente, al llegar a la temperatura de 120°C, no 
hay más hielo, lo que se tiene es vapor de agua.
La cantidad de calor absorbida por el sistema en el 
proceso de calentamiento es:
𝑄 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5
Donde:
𝑄 = (mc∆T)hielo+(m𝐿𝐹)hielo+(mc∆T)agua+(m𝐿𝑉)agua+(mc∆T)vapor
Recibe 
𝑄5
Calor 
sensible
Recibe 
𝑄4
Calor 
latente
Hielo Hielo
H2O H2O
Recibe 
𝑄1
Calor 
sensible
a -20 °C a 0 °C
agua 
a 
0 °C
agua 
a 
100°C
Recibe 
𝑄2
Calor 
latente
Recibe 
𝑄3
Calor 
sensible
vapor vapor
a 
100°C
a 
120°C
FUSIÓN VAPORIZACIÓN
(EBULLICIÓN)
Gráficamente, el proceso se esquematiza a 
continuación.
T (°C)
120
0
-20
Fusión
(L+S) Q (recibido)
100
Vaporización
(L+V)
2.3. CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO
Vamos a suponer que se tiene, en un recipiente, 
cierta masa de hielo inicialmente a -20°C, a la 
presión normal. Si se lleva el sistema al fuego, se 
constata la variación de la temperatura, se ve que 
este proceso involucra cinco etapas distintas:
A. Calentamiento delhielo de -20°C a 0°C;
B. La fusión del hielo a 0°C.
C. El calentamiento de agua líquida de 0°C a 100°C;
D. Vaporización de agua líquida a 100°C.
E. Calentamiento del vapor arriba de los 100°C.
Estas etapas se visualizan mejor en un gráfico 
cartesiano, en la cual se colocan los valores de la 
temperatura en el eje de las ordenadas y la cantidad 
de calor intercambiado en el eje de las abscisas.
El conjunto de las rectas obtenidas en el gráfico recibe 
el nombre de CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA.
CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA A PRESIÓN NORMAL
T (°C)
0
-20
B
Q (recibido)
100 D
Si consideramos el proceso inverso, con pérdida de 
calor de un sistema constituido por vapor de agua 
inicialmente a 110°C, a presión normal, 
obtendremos la curva de ENFRIAMIENTO del agua 
con las siguientes etapas:
A. Enfriamiento del vapor de 110°C a 100°C;
B. Condensación (licuación) de vapor a 100°C;
C. Enfriamiento del agua líquida de 100°C a 0°C;
D. Solidificación del agua a 0°C.
E. Enfriamiento del hielo por debajo de 0°C.
CURVA DE ENFRIAMIENTO DEL AGUA A PRESIÓN 
NORMAL
T (°C)
0
B
Q (cedido)
100
D
110