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Equilibro térmico

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calo r , y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico .

Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecera un flujo de energía calorífica , pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor , en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

equilibrio_termico001

Donde:

Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.

m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos

C e es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C

Δt es la variación de temperatura = T f − T 0 . Léase Temperatura final (T f ) menos Temperatura inicial (T 0 ) , y su fórmula es

equilibrio_termico009

Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar una cantidad de calor . Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las diferencias de temperaturas que existen entre los cuerpos que están en contacto.

Ver: PSU: Física, Pregunta 14_2005(2)

A continuación, desarrollemos algunos ejercicios que nos ayudarán a comprender la materia expuesta:

Ejercicio 1)

¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius y 50 gramos de agua a 40 grados Celsius?

Desarrollo:

Datos:

Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C

El agua que está a 20º C ganará temperatura

El agua que está a 40º C perderá temperatura

Sabemos que para conseguir el equilibrio térmico (igualar las temperaturas) la cantidad de calor ganada por un cuerpo debe ser igual a la cantidad de calor perdida por el otro.

Entonces:

para los 50 gr de agua a 20º C tendremos Q 1 (cantidad de calor ganada)

equilibrio_termico002

reemplazamos los valores y queda

equilibrio_termico003 (cantidad de calor ganada)

para los 50 gr de agua a  40º C tendremos Q 2 (cantidad de calor perdida)

equilibrio_termico004 (cantidad de calor perdida)

Como Q 1 = Q 2 (calor ganado = calor perdido)

Entonces:

equilibrio_termico005

Respuesta: La temperatura de equilibrio es 30 grados Celcius

Ejercicio 2)

¿Cuál será la temperatura final de una mezcla de 100 gramos de agua a 25 grados Celsius con 75 gramos de agua a 40 grados Celsius?

Desarrollo:

Datos:

Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C

Los 100 gr de agua que están a 25º C ganarán temperatura

Los 75 gr de agua que están a 40º C perderán temperatura

Sabemos que Q 1 = Q 2 (calor ganado = calor perdido)

Entonces

equilibrio_termico006

Respuesta: La temperatura final o de equilibrio de la mezcla es 31,43º C.

Ejercicio 3)

¿Cuál será la temperatura final de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius cuando se sumergen en ella 110 gramos de clavos de acero a 40 grados Celsius?

Desarrollo:

Datos:

Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C

Capacidad calorífica específica del acero: 0,12 cal/grº C

Los 50 gr de agua que están a 20º C ganarán temperatura

Los 110 gr de clavos que están a 40º C perderán temperatura

Sabemos que Q 1 = Q 2 (calor ganado = calor perdido)

Entonces

equilibrio_termico007

Respuesta: La temperatura final o de equilibrio de los clavos en el agua será de 24,177º C.

Ejercicio 4)

En 300 gramos de agua a 180 grados centígrados se introducen 250 gramos de hierro a 200 grados centígrados, determinar la temperatura de equilibrio.

Desarrollo:

Datos:

Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C

Capacidad calorífica específica del hierro: 0,113 cal/grº C

Los 300 gr de agua que están a 180º C ganarán temperatura

Los 250 gr de hierro que están a 200º C perderán temperatura

Sabemos que Q 1 = Q 2 (calor ganado = calor perdido)

Entonces

equilibrio_termico008

Respuesta: El agua y el hierro sumergido en ésta quedarán a 181,72º C.

Ver: PSU: Física; Pregunta 12_2005(2)

Ver: Cantidad de calor

Materias