La química en nuestro entorno: mecanismos de transferencia de calor

                 Como hemos estudiado anteriormente, la energía está presente en un cuerpo y puede medirse mediante las escalas de temperatura Celsius, Kelvin y Fahrenheit, en esta ocasión,  trataremos acerca de los mecanismos de transferencia de calor, pero te has preguntado ¿Qué es el calor? o ¿Cómo se transmite el calor?

El calor  puede definirse como la presencia  de  energía en un cuerpo,  a medida que se incrementa dicha energía aumenta el calor, el método para medir la energía es a través de la temperatura utilizando un termómetro como herramienta de medición.

De acuerdo con (Smith-Van Ness. 1988), una de las observaciones más importantes sobre el calor es que siempre fluye de una temperatura superior a otra más baja, esto conduce al concepto de temperatura como fuerza impulsora para la transferencia de energía como calor.

La transferencia de calor puede darse de la siguiente manera:

Transferencia de calor por conducción.- este tipo de transferencia de calor  ocurre cuando  dos objetos están en contacto directo entre sí. Un ejemplo  de este tipo de transferencia de calor es cuando un metal está en  contacto directo con una fuente de calor. 

Transferencia de calor por convección.- Aquí la transferencia de calor ocurre cuando hay movimiento o circulación de energía entre los cuerpos en un sistema. Un ejemplo de este tipo de intercambio de energía lo podemos observar cuando abrimos un  horno caliente,  el calor que expulsa  hacia el exterior es la energía emitida por convección.

Transferencia de calor por radiación.- ocurre cuando hay contacto entre un objeto y las ondas electromagnéticas de un cuerpo. Un ejemplo de este tipo es el sol el cual sería el cuerpo  que emite radiación y un ser vivo como las plantas, los animales o seres humanos que están expuestos a la radiación solar.    

Calor específico 

El calor específico se define como la cantidad de calor requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de una sustancia.
A continuación se muestra una tabla del calor especifico expresado en unidades de J/g°C   y   en cal/g °C en diferentes sustancias.

Fuente: (Navarro Herrera Dolores Adriana. 2019)

Para calcular el calor que necesita o produce un cuerpo se puede utilizar la siguiente formula:        Q = mC∆T

En donde:

Q: es  el calor absorbido  o liberado

m: es la masa de la sustancia

C: es el calor específico

∆T: indica la diferencia de temperatura (temperatura final, menos temperatura inicial)

Ahora veamos un ejemplo para calcular el calor  en una sustancia

1.- Obtén el calor absorbido por una muestra de 466g de agua que se calienta desde 8.5 °C hasta  74.6 ° C

Formula: Q = mC∆T

Datos

Q=?

m=466g

C = 1 cal/g °C

∆T = T_final – T_inicial  = (74.6 °C – 8.5 °C)

Se toma el valor del calor específico  para la sustancia en este caso el agua (1 cal/g °C).

Sustituyendo datos:

Q = (466g) (1 cal/g °C) (74.6 °C – 8.5 °C)      

Al realizar las operaciones se eliminan las unidades de masa (g) y las  unidades de temperatura °C quedando únicamente calorías

Q =30 802.6 calorias

Revisa el siguiente vídeo donde se explica paso a paso el problema planteado. 

Las reacciones pueden absorber o liberar calor clasificándose en:

Reacción endotérmica.- es aquella reacción que absorbe calor del exterior, los reactivos tienen menor energía que los productos,  por ejemplo,   en la fotosíntesis  que realizan  las plantas se necesita la energía solar para que se pueda  llevar a cabo el proceso.

Reacción exotérmica.- es aquella reacción que libera calor al exterior, aquí los reactivos tienen mayor energía que los productos por lo que desprenden calor  un  ejemplo de este tipo de reacciones es  la combustión. 

Revisa el siguiente video cuestionario Mecanismos de transferencia de calor

 Ahora que has revisado la información resuelve los siguientes ejercicios (consulten la tabla de calores específicos descrita anteriormente para obtener el valor del calor especifico de acuerdo a la sustancia en cada problema, utilicen el valor con la unidad  cal/g °C )

1.- Calcula la cantidad de calor liberado por 30g de aluminio cuando se enfría desde              77 °C hasta 12 °C

2.- Calcula el calor que libera 4 g de hierro sí se enfría desde 50 °C hasta 15 ° C

3.- Calcula el calor absorbido por una muestra de 30g de etanol si se calienta desde                9° C hasta 36 °C

4.- Calcula el calor especifico del estaño si una muestra de 20g se calienta desde                     10 °C hasta 55 °C  absorbe 204. 3 calorías    

Bibliografía

Navarro Herrera Dolores Adriana. (2019). Química II. Naucalpan, Edo. De México: Esfinge

Smith-Van Ness. (1988). Introducción a la termodinámica en ingeniería química. México, D.F: Mc Graw Hill.    

El mundo geométrico: Teorema de Tales

Tales de Mileto (623-540 a.c) fue un astrónomo, geómetra, filósofo y estadista griego introdujo el estudio de la geometría deductiva, este método consiste en encadenar conocimientos que se suponen verdaderos de tal manera que se obtienen nuevos conocimientos, es decir, obtener nuevas proposiciones como consecuencia lógica de otras anteriores. Hizo aportaciones importantes al pensamiento científico y racional, a la física, teología y principalmente a la geometría, una de estas aportaciones lleva su nombre. (Cordero Figueroa  Jenny, et al. 2019). 

El teorema de Tales establece lo siguiente: “Si tres o más paralelas cortan a dos transversales o secantes, determinan en ellas segmentos correspondientes proporcionales”. 

Teorema de Tales  aplicado en el triángulo

Si se traza una paralela a un lado de un triángulo, que corte a los otros dos lados, entonces estos quedan divididos en segmentos proporcionales.  

Reciproco del Teorema de Tales

Sí al trazar una recta que corta dos lados del triángulo rectángulo se forman segmentos proporcionales, entonces la recta es paralela al tercer lado.

 

Entonces las rectas DE y AB son paralelas

Ejemplo: sí las rectas DE Y AB son paralelas y si la razón de los segmentos CE  y CB es 3/4  ¿ Cuál es la razón de los segmentos CD y DA? ¿Cuanto mide CD?
La respuesta a la primera pregunta se justifica por el teorema de Tales  y su resultado es 3/4 . 

Para determinar la medida del segmento CD, el planteamiento de la siguiente proporción se resuelve de la siguiente manera: 

Bibliografía 

Cordero Figueroa  Jenny, et al. (2019). Geometría y trigonometría. Naucalpan, edo. De México: esfinge.

Garrido Méndez Misael. (2015). Matemáticas II. Ciudad de México: SEP.

El mundo geométrico: criterios de congruencia y semejanza de triángulos

Los triángulos  los podemos observar en nuestro alrededor en diferentes objetos por ejemplo  conforman las  caras en una pirámide,  podemos definir a un triángulo como una figura geométrica plana que tiene tres lados y que de acuerdo a sus lados  pueden clasificarse de la siguiente manera:

Triangulo isósceles	Triangulo escaleno	Triángulo equilátero
Tiene dos lados iguales	Tiene tres lados  desiguales	Tiene sus lados  iguales

Clasificación de triángulos de acuerdo a sus ángulos  

Triangulo acutángulo	Triangulo obtusángulo	Triángulo rectángulo
Tiene los tres ángulos agudos	Tiene  un ángulo obtuso	Tiene un ángulo recto

Congruencia en triángulos

En geometría podemos hablar de congruencia cuando vemos a dos figuras geométricas iguales y tienen la  misma forma y tamaño.

Criterio:  lado-lado-lado (LLL)	Criterio:  lado-ángulo-lado (LAL)	Criterio ángulo-lado-ángulo (ALA)
Si los tres lados de un triángulo son iguales a los tres lados correspondientes de otro triángulo, ambos triángulos son congruentes entre sí.	Si dos lados de un triángulo y el ángulo comprendido entre ellos son respectivamente iguales a los elementos similares de otro triangulo, ambos triángulos son congruentes entre sí.	Si uno de los lados de un triángulo y los ángulos adyacentes a éste son respectivamente iguales a uno de los lados de otro triángulo y a los ángulos adyacentes a él, ambos triángulos son congruentes entre sí.

Semejanza de triángulos y polígonos

Dos figuras son semejantes cuando tienen la misma forma, las mismas medidas de sus ángulos interiores, pero sus lados homólogos son proporciones.

Criterio ángulo-ángulo (AA)	Criterio lado- ángulo- lado (LAL)
Dos triángulos son semejantes si tienen dos ángulos respectivamente iguales (congruentes).	Dos triángulos son semejantes si tienen dos lados proporcionales e iguales el ángulo comprendido entre ellos.

Criterio Lado-lado-lado  (LLL)	Criterio Lado-lado-lado  (LLA)
Dos triángulos son semejantes si tienen tres lados proporcionales entre ellos.	Dos triángulos son semejantes si tienen dos lados proporcionales y el ángulo opuesto al mayor de ellos son respectivamente iguales.

Bibliografía 

J.A. Baldor. (1988). Geometría plana y del espacio y trigonometría. México, D.F.: compañía cultural editora y distribuidora de textos americanos, s.a., ediciones y distribuciones códice, s.a.

Garza Olvera Benjamín. (2015). Geometría y trigonometría. México, DF.: PEARSON.

Garrido Méndez Misael. (2015). Matemáticas II. Ciudad de México: SEP.

La química en nuestro entorno: La energía en las reacciones químicas

Cuando encendemos el televisor, el aire acondicionado  o nuestro celular, necesitamos de la energía para que estos aparatos funcionen pero ¿Qué es la energía? en física se define a la energía como la capacidad para generar un trabajo  y tenemos que existe  la energía potencial o  energía que se encuentra almacenada en un cuerpo y la energía cinética o de movimiento.

 En química podemos entender a la energía cinética,  como la energía de activación como  se describió anteriormente es aquella energía de movimiento que tienen los cuerpos, por ejemplo, cuando rueda un balón o  un coche esta  en movimiento, esta energía siempre será positiva debido a que las reacciones químicas necesitan energía para llevarse a cabo.

De acuerdo  con  (Chang Raymond, College  Williams . 2002)  los tipos de energía                pueden ser:

                        

Energía solar.- es la principal fuente de energía en la Tierra, calienta a la atmosfera                 y la superficie terrestre, estimula el crecimiento de la vegetación mediante el                          proceso de la fotosíntesis e influye sobre los patrones globales del clima.

Energía térmica.- se calcula a partir de las mediciones de temperatura, sin embargo s necesario distinguir entre energía térmica y temperatura, una taza de café a 70° C tiene mayor temperatura que una tina llena    con agua caliente a 40 ° C, sin embargo, la tina almacena más energía térmica porque tiene un volumen y una masa mucho mayor que  la taza de café y por lo tanto más moléculas de agua y mayor movimiento molecular.

Energía química.- es la energía que se almacena en unidades estructurales de las sustancias, está determinada por el tipo y arreglo de átomos que constituyen a cada sustancia.

Energía potencial.- es la energía disponible en función de la posición de un objeto, por ejemplo, una piedra en la cima de una colina tiene mayor energía potencial debido a su altitud y al caer al agua salpicara más que una piedra semejante que se encuentre en la parte baja de la colina 

Sistemas de interacción con el entorno

En termodinámica se conoce como un sistema al  objeto que se va estudiar, el entorno es todo lo que rodea al sistema y la frontera es la separación del material que separa al sistema del entorno. 

Hay tres tipos de sistemas, los cuales se describen a continuación:

Sistema abierto.- hay un intercambio de materia y energía entre el sistema y el entorno

Sistema cerrado.- en este tipo de sistema no se permite un intercambio de materia pero si de energía.

Sistema aislado.- es aquel en donde  no hay intercambio de materia ni de energía 

 La temperatura puede considerarse como la suma de la energía cinética presente en un cuerpo y se expresa en grados Celsius, Kelvin y Fahrenheit.

Los valores para  estas  escalas de temperatura son:

Celsius	Kelvin	Fahrenheit
°C= °F-32/1.8	K=°C +273	°F= °C(1.8) + 32

En la siguiente imagen de escala de temperatura,  podemos apreciar los valores de temperatura de algunas sustancias,  como el punto de ebullición y congelación del agua, la temperatura ambiente e incluso la temperatura del cuerpo humano 

Fuente: Navarro Herrera Dolores Adriana. 2019

De acuerdo con (Navarro Herrera Dolores Adriana. 2019), algunos ejemplos para calcular la temperatura son: 

1.- El monte Everest se encuentra a 8848 m de altura, hay 1/3 de presión atmosférica y el agua ebulle a 70 °C  ¿Cuál es la temperatura en K?

      °K= °C + 273

      K= 70 + 273 = 343 K

2.- En la cocina molecular utilizan nitrógeno líquido para congelar casi instantánea algunas frutas, el contenedor del nitrógeno marca  -320 °F ¿Cuál es la temperatura en  °C?

°F = °C(1.8) + 32

Despejando  °C                      °C= °F-32/1.8 

Sustituyendo       °C=  -320 – 32/1.8 = -195.5 °C

Ahora que has revisado la información contesta a las siguientes preguntas

1.     ¿Qué  entiendes  por energía cinética?

2.     ¿Menciona los tres tipos de sistemas de acuerdo a la termodinámica?

3.     ¿Qué es la energía potencial?

4.     ¿Cómo se define a la  energía?

5.     ¿Qué es un sistema aislado?

6.     ¿Cómo se puede definir el calor?

7.     ¿Qué es un sistema cerrado?

8.     ¿Qué entiendes por temperatura?

9.     ¿Cuáles son las expresiones de temperatura y sus fórmulas?

10.  ¿Cómo se define a un sistema en termodinámica? 

Bibliografía

Chang Raymond, College  Williams. (2002). Química. México, D.F: Mc Graw Hill.

Navarro Herrera Dolores Adriana. (2019). Química II. Naucalpan, Edo. De México: Esfinge