Calor ycCambios de estado
Curso: Refrigeración
Concepto de calor
Definición
En termodinámica, el calor se define como la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperaturas. Esta definición enfatiza que el calor, al igual que el trabajo, es una transferencia de energía, más que una propiedad almacenada dentro del sistema.
La transferencia de calor ocurre en la frontera del sistema y es resultado de la interacción del sistema con su entorno. Además, a diferencia del trabajo, el calor está directamente asociado con la agitación microscópica de los átomos y moléculas debido a la diferencia de temperatura.
Ejemplo de transferencia de calor
El calor, al ser una forma de transferencia de energía, no tiene una analogía directa en mecánica clásica, lo que lo convierte en un concepto único en termodinámica.
Este fenómeno puede observarse en situaciones cotidianas, como el derretimiento de hielo al sol o la dilatación de mercurio en un termómetro.
Estos cambios ocurren por la transferencia de calor, sin que medie trabajo mecánico, lo que lleva a concluir que el calor es lo que se transfiere del entorno al sistema.
Unidades
El calor se mide en julios (J) en el Sistema Internacional (SI). Históricamente también se ha usado la caloría (cal), definida como 1 cal = 4.184 J, aunque se recomienda evitar su uso debido a las diferentes definiciones que ha tenido. En campos como la medicina y la dietética, se utiliza a menudo la kilocaloría (kcal), que equivale a 4184 J. En el contexto de máquinas térmicas y refrigeradores, se usa la unidad británica BTU, que equivale a 1055.056 J. El calor se considera positivo cuando entra en el sistema y negativo cuando sale.
1 TR = 12 000 BTU/h = 3 204 Kcal/h = 3 516,85 W
Signos de la energía calorífica
Flujo de calor
El flujo de calor (Q˙) es una medida de la tasa a la que el calor es transferido en un sistema o entre sistemas. Se refiere a la cantidad de calor que se desplaza por unidad de tiempo y es fundamental en los procesos de transferencia de calor.
Se mide en vatios (W) en el Sistema Internacional de Unidades (SI), donde 1 W es igual a 1 joule por segundo (J/s).
Dirección del Flujo de Calor: Ley Cero de la Termodinámica:
Esta ley establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio entre sí. Esto implica que el calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico.
Flujo de calor
Equlibrio térmico
Si se coloca un objeto caliente en contacto con uno frío, el calor fluirá del objeto caliente al frío hasta que ambos alcancen la misma temperatura.
Este flujo de calor es sumamente analizado en diferentes procesos tales como:
- En HVAC y Refrigeración: La comprensión del flujo de calor es vital para el diseño y funcionamiento de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Estos sistemas manipulan el flujo de calor para mantener las condiciones deseadas dentro de los espacios habitables.
- En Procesos Industriales: Muchos procesos industriales dependen de la gestión adecuada del flujo de calor, ya sea para mantener ciertas condiciones de temperatura o para favorecer reacciones químicas o físicas.
Energía de calor sensible y latente
En el fascinante mundo de la termodinámica y la transferencia de calor, dos conceptos desempeñan un papel crucial en nuestra comprensión de cómo la energía se mueve y transforma en diferentes sistemas:
- El calor sensible: asociado con los cambios en la temperatura de un sistema, es quizás el concepto más familiar. Es la forma de energía que sentimos día a día cuando tocamos objetos que están más cálidos o más fríos que nuestro entorno. Este tipo de calor es clave en los procesos donde la temperatura cambia, pero la fase de la sustancia permanece constante.
- El calor latente: a menudo menos perceptible a simple vista, se relaciona con los cambios de fase de una materia, como cuando el agua se congela o hierve. Este tipo de calor juega un papel vital en una variedad de fenómenos naturales y aplicaciones tecnológicas, como la formación de nieve, la destilación de líquidos, o incluso en la refrigeración de nuestros hogares.
Estos fenómenos no solo son fundamentales en la teoría, sino que también tienen aplicaciones prácticas extensas, desde la ingeniería de HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) hasta los procesos industriales y cotidianos. En este apartado, exploraremos en profundidad estos dos tipos de calor, su significado, su medición y su impacto en los cambios de fase de las sustancias, así como la capacidad calorífica y calor especifico que son los puntos claves en la compresión de estos dos tipos de energía calorífica.
Por lo tanto, nuestro apartado se estructura de la siguiente forma:
- Calor específico
- Calor sensible
- Calor latente
Calor específico
El calor específico se refiere a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en una cantidad específica. Esta propiedad intensiva se expresa como c = m/C y se mide en J/(kg·K).
El calor específico varía no solo entre diferentes sustancias, sino también con la temperatura y el estado de la sustancia. Por ejemplo, el calor específico del agua comienza en 4.204 kJ/(kg·K) a 0°C y varía hasta 4.219 a 100°C. Para propósitos prácticos, a temperatura ambiente, un valor aproximado de 4.18 kJ/(kg·K) suele ser suficiente.
Temperatura | cp |
°C | kJ/kg.°C |
51 | 4,179 |
52 | 4,179 |
53 | 4,179 |
54 | 4,179 |
55 | 4,180 |
56 | 4,180 |
57 | 4,180 |
58 | 4,181 |
59 | 4,181 |
60 | 4,182 |
61 | 4,182 |
62 | 4,183 |
63 | 4,183 |
64 | 4,184 |
65 | 4,184 |
66 | 4,185 |
67 | 4,186 |
68 | 4,186 |
69 | 4,187 |
70 | 4,188 |
71 | 4,188 |
72 | 4,189 |
73 | 4,190 |
74 | 4,190 |
75 | 4,191 |
Temperatura | cp |
°C | kJ/kg.°C |
75 | 4,192 |
76 | 4,193 |
77 | 4,194 |
78 | 4,195 |
79 | 4,195 |
80 | 4,196 |
81 | 4,197 |
82 | 4,198 |
83 | 4,199 |
84 | 4,200 |
85 | 4,201 |
86 | 4,202 |
87 | 4,203 |
88 | 4,204 |
89 | 4,205 |
90 | 4,206 |
91 | 4,208 |
92 | 4,209 |
93 | 4,210 |
94 | 4,211 |
95 | 4,212 |
96 | 4,213 |
97 | 4,215 |
98 | 4,216 |
99 | 4,217 |
Temperatura | cp |
°C | kJ/kg.°C |
0 | 4,224 |
1 | 4,221 |
2 | 4,219 |
3 | 4,216 |
4 | 4,214 |
5 | 4,212 |
6 | 4,210 |
7 | 4,208 |
8 | 4,206 |
9 | 4,204 |
10 | 4,202 |
11 | 4,201 |
12 | 4,199 |
13 | 4,197 |
14 | 4,196 |
15 | 4,194 |
16 | 4,193 |
17 | 4,192 |
18 | 4,191 |
19 | 4,190 |
20 | 4,188 |
21 | 4,187 |
22 | 4,186 |
23 | 4,186 |
24 | 4,185 |
Temperatura | cp |
°C | kJ/kg.°C |
26 | 4,184 |
27 | 4,183 |
28 | 4,183 |
29 | 4,182 |
30 | 4,181 |
31 | 4,181 |
32 | 4,180 |
33 | 4,180 |
34 | 4,179 |
35 | 4,179 |
36 | 4,179 |
37 | 4,178 |
38 | 4,178 |
39 | 4,178 |
40 | 4,178 |
41 | 4,178 |
42 | 4,178 |
43 | 4,178 |
44 | 4,178 |
45 | 4,178 |
46 | 4,178 |
47 | 4,178 |
48 | 4,178 |
49 | 4,178 |
51 | 4,178 |
Calor sensible
El calor sensible se refiere a la cantidad de calor intercambiado por un cuerpo o sistema que resulta en un cambio de temperatura. Es el tipo de calor que se puede "sentir" debido a un cambio observable en la temperatura.
Se mide en joules (J) o calorías (cal). El calor sensible (Qs) puede calcularse utilizando la fórmula :
Energía calor sensible
Qs = m ⋅ cp ⋅ ΔT
Donde ,
- Qs: energía calorífica en kJ
- m : es la masa en kg
- cp : el calor específico a presión constante en kJ/kg.°C
- ΔT: Diferencia de temperatura expresada en °C
Como ejemplo, al calentar agua desde 20°C a 80°C, solo se requiere calor sensible, ya que solo se eleva la temperatura sin cambio de fase.
Ejemplo de calor sensible del agua
Calor latente
El calor latente es la energía absorbida o liberada por una sustancia durante un cambio de fase sin que se produzca un cambio en la temperatura. Es el calor asociado con cambios de estado, como la fusión, vaporización o sublimación.
También se mide en joules o calorías. Para calcular el calor latente (Ql) se usa la fórmula:
Energía calor latente
Ql = m ⋅ L
Donde,
- QL: energía calorífica latente en kJ
- m : masa de fluido en kg
- L : calor latente específico de la sustancia para el cambio de fase particular en kJ/kg. Se distinguen dos tipos de calor latente y que son:
- Calor Latente de Fusión (Lf) : Relacionado con el cambio de sólido a líquido.
- Calor Latente de Vaporización (Lv): Asociado al cambio de líquido a vapor.
- ΔT: Diferencia de temperatura expresada en °C
Como ejemplo, al convertir hielo en agua, se absorbe calor latente de fusión. La temperatura del hielo permanece constante en 0°C hasta que se convierte completamente en agua.
Calor latente de fusión del agua
Potencia calórica en procesos dinámicos
Potencia calórica en el calor sensible
La potencia calórica se refiere a la tasa a la que la energía térmica es transferida por unidad de tiempo. En sistemas donde hay un flujo continuo de materia, como en muchos sistemas de ingeniería térmica, es crucial considerar el flujo másico (ṁ) en lugar de una masa estática. Esto nos lleva a reformular los conceptos de calor sensible y latente en términos de potencia.
En un proceso donde el calor sensible es relevante, la ecuación Q̇= ṁ c ΔT se modifica para considerar un flujo másico, convirtiéndose en:
Q̇ = ṁ . c . ΔT
Donde,
- Q̇ : Potencia calórica en kW;
- ṁ : Caudal másico en kg/s;
- cp : Calor específico a presión constante en kJ/kg.°C ;
- ΔT: Diferencia de temperatura expresada en °C.
Este concepto se aplica en situaciones como el calentamiento o enfriamiento de fluidos en movimiento, típico en sistemas de calefacción o refrigeración.
Potencia calórica en el calor latente
Similarmente, para procesos de cambio de fase, donde el calor latente es clave, la fórmula se adapta al flujo másico:
Para la fusión o solidificación:
Q̇ = ṁ . LF
Para la vaporización o condensación:
Q̇ = ṁ . LV
Donde,
- Q̇ : Potencia calórica en kW;
- ṁ : Caudal másico en kg/s;
- Lv : Calor latente de vaporización de la sustancia en kJ/kg;
- Lf : Calor latente de fusión de la sustancia en kJ/kg.
Esta aproximación es especialmente útil en sistemas donde los fluidos experimentan cambios de temperatura o de fase mientras fluyen, como en un intercambiador de calor o en un evaporador de un sistema de refrigeración. Por ejemplo, en un condensador de un sistema de aire acondicionado, el refrigerante libera calor (potencia calórica) al ambiente mientras cambia de fase de gas a líquido.
Cambio de estado
Concepto
El cambio de estado de una sustancia es un fenómeno fascinante en el que la materia pasa de un estado físico a otro, como de sólido a líquido, líquido a gas, o viceversa. Estos procesos son fundamentales en la naturaleza y en numerosas aplicaciones tecnológicas.
Comprender estos procesos nos permite manipular la materia de manera efectiva para diversas aplicaciones prácticas, desde el enfriamiento de alimentos hasta procesos químicos complejos en la industria.
Cambio de estado del agua
Tipos de cambios de estado
Existen diferentes tipos de cambios de estados tal y como se detallan a continuación:
Tipos de cambio de estado
- Fusión: El cambio de sólido a líquido, requiere del calor latente de fusión y ocurre a una temperatura constante, conocida como punto de fusión.
- Solidificación: El proceso inverso a la fusión, donde un líquido se convierte en sólido. Este proceso libera el mismo calor latente que se absorbe en la fusión.
- Vaporización: El cambio de líquido a gas, que puede ser un proceso de ebullición (a una temperatura constante y a presión específica) o evaporación (a cualquier temperatura).
- Condensación: El proceso inverso a la vaporización, donde un gas se convierte en líquido, liberando calor latente.
- Sublimación: El cambio directo de un sólido a gas sin pasar por un estado líquido, como el hielo seco convirtiéndose en CO2 gaseoso. El calor latente de sublimación es igual a la suma del calor latente de fusión y del calor latente de vaporización.
- Cristalización:El proceso inverso a la sublimación, donde un gas se convierte directamente en sólido
El portal especializado en el sector de la eficiencia energética