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Guía didáctica: Física para las Ciencias Biológicas 112 Q=mc∆T UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja SEGUNDO BIMESTRE donde m es la masa de la sustancia en g, c la capacidad calorífica específica en cal/g.°C y ∆T la diferencia de temperatura entre la temperatura inicial y la de equilibrio si la sustancia se enfría, o entre la temperatura de equilibrio y la inicial si la sustancia se calienta en °C. Cabe indicar que las mezclas calorimétricas se realizan en un calorímetro, aparato especial en el que se minimizan las pérdidas de calor hacia el ambiente. Antes de continuar con el siguiente subtema, realice lo siguiente: Disponga de los siguientes materiales; una hoja de papel, fósforos, vela y tijeras. Tome en una mano una hoja de papel y en la otra unas tijeras. ¿Siente que tienen diferente temperatura? Encienda la vela y, acerque simultáneamente a la llama, la hoja de papel y las tijeras. ¿Se siente más caliente el papel? ¿o las tijeras? Piense usted en las respuestas. Pasemos a ver un subtema relacionado con uno de los casos antes descritos. 11.3 CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA En el texto básico, se describe el calor específico o capacidad calorífica específica y el comportamiento especial del agua por su alta capacidad para absorber calor. Por tanto, le invito a que revise detenidamente este tema, y luego complemente el aprendizaje, analizando paso a paso el desarrollo del siguiente ejemplo de aplicación. Ejemplo 17 En un calorímetro de aluminio de 40 g que contiene 50 g de agua a 20°C, se transfieren 400 g de un metal previamente calentado hasta una temperatura de 350°C. El sistema (calorímetro, agua y metal) en el equilibrio térmico tiene una temperatura de 22°C. Determine la capacidad calorífica del metal. Información adicional: calor específico del aluminio 0,217 cal/g°C y del agua 1 cal/g°C, respectivamente. Desarrollo Primero, ilustremos el proceso calorimétrico con el esquema siguiente:
SEGUNDO BIMESTRE Guía didáctica: Física para las Ciencias Biológicas Segundo, realicemos el balance de energía para la mezcla calorimétrica. Como se trata de un sistema aislado, no existen pérdidas de calor, entonces: Q cedido = Q ganado El metal cede calor mientras que el calorímetro y el agua ganan calor, por tanto: Q metal = Q calorímetro + Q agua mc∆T metal = mc∆T calorímetro + mc∆T agua mc(T i - T e ) metal = mc(T i - T e ) calorímetro + mc(T i - T e ) agua Sustituyendo los correspondientes valores, tenemos Despejando c, se tiene 400g x c x (350 o C - 22 o C) 131,20 c g o C = 17,36 cal + 100 cal Veamos ahora cómo la temperatura deforma los materiales. ¿Todos los cuerpos responden de igual forma a los cambios de temperatura? Cuando se congela un lago, ¿toda el agua se solidifica? ¿Cuánto sabe sobre este aspecto? 11.4 EXPANSIÓN TÉRMICA El fenómeno de la expansión térmica y la expansión especial del agua, se presenta en las páginas 297 a 301 del texto básico. Una vez que haya realizado la lectura correspondiente, estará de acuerdo conmigo, de la inexistencia de expresiones que permitan cuantificar numéricamente la expansión de una sustancia. Por lo cual, a continuación desarrollo las expresiones para la expansión volumétrica y lineal, que son las más aplicadas. EXPANSIÓN VOLUMÉTRICA El volumen V 0 de cuerpo a la temperatura T 0 cambia a V si la temperatura es T, el cambio en el volumen ∆V depende de la sustancia, y viene dada por: ∆V = V- V 0 = ßV 0 ( T-T 0 ) donde ß es el coeficiente de dilatación volumétrico en ( 0 C) -1 . UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja 113
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