Calor parte III Calor específico

Si tenemos dos masas iguales de agua, y a una se le entregaran Q calorías y a la otra 2Q (o sea el doble), la segunda experimentará un aumento de temperatura doble, del que experimenta la primera. Pero esto no sucede solo con el agua, sino también con masas iguales de una misma sustancia cualquiera.
Si, por consiguiente, al entregarse calor a dos masas iguales de una misma sustancia, se observa que la primera experimenta un aumento de temperatura, y la segunda un aumento doble, ello significa que a la segunda se le entregó doble cantidad de calor que a la primera.
En general, pues, diremos que:
1) Las cantidades de calor entregadas, o quitadas, a masas iguales de sustancias iguales, son directamente proporcionales a las variaciones de temperatura.
2) Las cantidades de calor entregadas, o quitadas, a masas distintas de una misma sustancia para producir iguales variaciones de temperatura, son directamente proporcionales a las masas.

De las dos conclusiones anteriores resulta que si se tienen varios cuerpos de una misma sustancia, de masas distintas m, m´, m´´, se producen aumentos de temperatura t, t´, t´´ tales, que las cantidades de calor están en proporción con los productos de cada masa por su aumento de temperatura.

O sea que si nosotros dividimos la cantidad de calor Q entre el producto m.t obtendremos siempre el mismo valor, a eso denominamos calor específico.

Definición: Calor específico de una sustancia es el cociente (división) entre la cantidad de calor que se le entregue y el producto de su masa por el aumento de temperatura provocado por dicha cantidad de calor: Ce = Q/(m.t)

El calor Parte II...

Todo emprendimiento científico requiere que dispongamos de una unidad de medición. Bueno para estudiar el calor, necesitamos una unidad para poder medirlo. Para abreviar la palabra calor utilizaremos la letra Q. 
La caloría surgió como consecuencia de la Teoría del Calórico: se suponía que la trasmisión de calor se producía por el paso de un cierto fluido (el calórico) de un cuerpo a otro. Esa cantidad de calórico se mediría en calorías. Descartada la teoría del calórico, y reconocido el hecho físico de que el calor es una manifestación de la energía, se definió la caloría como una unidad de energía del sistema métrico de unidades (y más adelante del sistema Técnico de Unidades). Actualmente la caloría no se incluye en la categoría de las unidades energéticas del Sistema Internacional de Unidades .
Definición: 1 caloría es la cantidad de calor que entregada a 1 gramo de agua eleva su temperatura en 1°C (Un grado centígrado). Su símbolo es cal.
También se usa un múltiplo: la caloría "grande" o kilocaloría; su símbolo es Kcal, y equivale a 1000 cal, por supuesto.

Por ejemplo: ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 500g de agua, desde 20°C hasta 100°C?

Solución: Una regla de tres permite hacer el cálculo:
Para elevar 1°C la temperatura de 1g se necesita 1 cal; luego, para elevar 80°C la temperatura de 500g se necesitarán:

                                  Q = 80 x 500 cal = 40000 cal
O también 40 Kcal

Si, a la inversa, 500g de agua se "enfrían" desde 100°C hasta 20°C, han "perdido" 40 Kcal.
En general, cuando un cuerpo pierde Q, a la cantidad de calor le asignaremos signo positivo; si las pierde, signo negativo.

Algo de historia

Existen una gran cantidad de máquinas térmicas. Quizás la más conocida sea la heladera que tenemos en casa. En algunos lugares la llaman refrigerador, nevera, conservadora, etc.

Hoy nos rodeamos de aparatos cada vez más sofisticados que forman parte de nuestras vidas cotidianas y no pensamos en su importancia hasta que se descomponen. Imaginemos que hace unas décadas atrás, muchos artefactos no existían, otros eran considerados elementos de lujo y no todas las personas podían acceder a ellos. 

La humanidad logró evitar series enfermedades (muchas de ellas mortales) al conservar sus alimentos, como así también cocinarlos. Para ello necesitó dominar ciertas técnicas y perfeccionarlas lentamente.

Muchos afirman que fueron los chinos quienes desarrollaron el sistema de conservación de alimentos, hace miles de años, mediante el uso de cuevas donde en invierno guardaban grandes cantidades de hielo y cubrían con paja y pasto para luego ser utilizado en épocas más calurosas.

Los Egipcios guardaban líquidos en vasijas porosas que luego cubrían con paja durante la noche, bajo ciertas circunstancias de clima favorables, lograban que se produzca una evaporación a través de las paredes de esas vasijas de barro y así bajar la temperatura de su contenido.

En el siglo XIX, a medida que se perfeccionaban los medios de transporte, se acarreaban toneladas de hielo en grandes barcos y se distribuían por todo el mundo, este hielo se colocaba en grandes armarios, donde las familias podían acceder por una suma de dinero, a pequeños cubiles donde guardaban sus alimentos.

En 1553 un médico español, aposentado en Roma, Blas Villafranca se ocupaba, en su libro, editado en Romaollamadp "Methodes refrigerandi ex vocato sale nitro vinum aquamque ac potus quodvis aliud genus, cui accedaent varia naturalium rerum problemata, non minus jucunda lectu, quam necesaria cognitu", del enfriamiento del agua y el vino por medio de mezclas refrigerantes, nombrando por primera vez la palabra refrigerar en el sentido de lograr y mantener una temperatura inferior a la del ambiente. En 1607 se descubrió que podía utilizarse una mezcla de agua con sal para congelar el agua. 

En el siglo XVI muchos físicos y químicos experimentaron con diferentes mezclas refrigerantes en laboratorio.

En esta época era muy utilizado el éter como sustancia refrigerante.

Estas mezclas permitieron experimentos a bajas temperaturas y así, en 1715, 

utilizando una mezcla de nieve y nitrato amónico, Fahrenheit establecía el cero de su termómetro; en 1760 von Braun congeló el mercurio a -40?C, etc. 

En el siglo XIX numerosos científicos como: von Karsten en 1840, Hanemann en 1864, Rüdorff en 1869, Pfandler en 1875 y Brendel en 1892 estudiaron las leyes que rigen las mezclas frigoríficas, y las mezclas de hielo y sal común, que permiten disminuir la temperatura hasta -20?C, se emplearon corrientemente para congelar productos alimenticios, y todavía en 1904, Emilio Carbonell y en 1912, José Gres, registraron patentes españolas de mezclas refrigerantes para conservar alimentos. 

Estos métodos sin embargo, son discontinuos y de capacidad muy limitada, por lo que no se puede hablar de refrigeración hasta la invención de los métodos continuos, de dos tipos básicos: consumidores de trabajo y consumidores de calor. 

Temperatura, continuación

Hay una gran cantidad de instrumentos para medir temperatura, ellos se llaman termómetros. También existen varias escalas, la más conocida por nosotros seguro que es la escala centígrada o escala Celsius. Cuando vemos la temperatura en la televisión está dada en esta escala. En refrigeración se utiliza la escala Fahrenheit también, que es la unidad inglesa para temperatura.
Fijate que acá te dejo una tabla donde se puede "pasar" de una unidad a otra.

Por ejemplo: ¿Cuántos grados Fahrenheit (°F) son 10 °C (grados centígrados)?
Respuesta: 50 °F

Existen diversos tipos de termómetros, tal vez el más conocido es el que usamos para "tomar la fiebre". Cada termómetro está diseñado para una determinada aplicación, el de uso medicinal "mide" la temperatura corporal, que sabemos que aproximadamente es de 36,5°C. (Un poco más de 97°F si la midiéramos es la otra escala).
En refrigeración tiene múltiples usos, por ejemplo para medir la temperatura dentro de una heladera.

El termómetro de la foto (termómetro digital), mide también humedad, otra variable que debemos tener en cuenta, la cual veremos más adelante.

En refrigeración suele separarse las distintas aplicaciones según sus temperaturas:

24°C:  Acondicionamiento de aire.
13°C   Refrigeración de "alta temperatura"
2°C     Refrigeración de "temperatura media"
-23°C  Refrigeración de "baja temperatura"
-32 °C Refrigeración de "muy baja temperatura"

En el primer caso 24°C es una temperatura de "confort" para acondicionadores de aire en verano, por ejemplo.
Los rangos alta y media temperatura se utilizan para conservar por tiempos cortos ciertos alimentos perecederos.
Los rangos baja y muy baja para guardar por períodos de tiempos prolongados ciertos alimentos perecederos.
Estos son "rangos" de temperaturas, un ejemplo solamente. Lo importantes es saber "que hay que enfriar" (en realidad extraerle calor) para que no pierda sus propiedades y, obviamente, no se eche a perder o ocasione algún daño orgánico a la persona que lo ingiera si se trata de un alimento, debido a la reproducción de bacterias.

Por eso es importante conocer el equipo en cuestión, ubicar datos del fabricante, cuando no se pueda, recurrir a la experiencia técnica. Es cierto que muchos equipos trabajan en una línea bastante amplía de temperaturas que también están relacionadas con otras variables que dependen del espacio donde se encuentre el equipo, de otras partes del equipo, del refrigerante que posea el equipo, etc.

¿Y la temperatura? ¿Qué es?

Calor y temperatura están relacionados, claro. Pero no son lo mismo. A ver, es muy común decir "¡Qué calor que hace! referido a una temperatura alta. No está mal, en general cuando a una sustancia se le entrega calor esta aumenta su temperatura.
Miremos este ejemplo:

Estas palanganas contienen agua, la primera tiene agua a 30 grados centígrados y una cantidad de 50 litros.
La segunda palangana tiene 10 litros y el agua está a 90 grados.
La pregunta es: ¿Cuál es la que tiene más calor?
Hay una trampita... a la palangana "más grande" se le puso un valor "pequeño" de temperatura, y a la palangana "más chica" un valor "mayor" de temperatura. Es muy tentador decir que la palangana más pequeña tiene "más calor". Es al revés...
La primera conclusión es que la palangana más grande tiene "menos temperatura" pero tiene "más cantidad de agua" y entonces, más capacidad de "almacenar calor".
Acá a mayor cantidad de agua corresponde mayor calor, la temperatura es menor en la primera, ojo...
El calor depende entonces de la cantidad de masa. La masa es la cantidad de materia o sustancia que tienen las cosas. Todo está formado por moléculas y éstas se mueven a una determina velocidad. Todo está en movimiento, por más que veamos "quieta" el agua en la palangana, si nos pusiéramos "unos anteojos para ver moléculas" veríamos que estas se mueven. Si a nuestras palanganas le entregáramos calor veríamos que las moléculas se mueven con mayor velocidad, si le quitáramos calor, veríamos que se moverían más lentas...
O sea que la segunda palangana tiene moléculas que se están moviendo más rápido que la primera palangana, entonces tiene más temperatura. Pero la primera tiene más masa, o sea, tiene una mayor cantidad de calor.
Podríamos decir, entonces, que la temperatura es la velocidad con la que se mueven las moléculas de una sustancia, o "el nivel de calor". Cuánto mas velocidad tienen las moléculas "más temperatura tendrá, y viceversa"
El calor es la cantidad de moléculas que se mueven dentro de una sustancia, "cuánto más masa tenga una sustancia, más capacidad tendrá de almacenar una cierta cantidad de calor.

Paciencia... cómo decimos siempre, a medida que vayamos recorriendo este camino vamos a ir "puliendo conceptos" a veces una buena definición es aquella que nos permite comprender un determinado fenómeno.

EL calor

Nuestro objeto de estudio será, entonces el calor. Afirmo esto porque en definitiva nuestras máquinas, son máquinas térmicas. Hay que aclarar que en realidad son máquinas electromagnéticas, mecánicas, térmicas.
Por eso es fundamental empezar hablando de calor. Pero... ¿Qué es el calor? Bueno, el calor es energía...
Y... ¿Qué es la energía? es la capacidad que posee un sistema de realizar trabajo... ¿Trabajo? ¿Los sistemas trabajan?
Observemos que cuándo uno empieza a estudiar algo se vuelve como un chico... curioso, todo se lo pregunta, se lo cuestiona... parecería que no hay un principio de todo, menos un final...
Pero si queremos entender de que se trata el calor, debemos hacer un esfuerzo, aunque sea intentarlo...
Como dijimos antes, hay palabras que usamos a diario que también usa la ciencia. Una fuerza, entonces es una cosa que le aplicamos a un cuerpo para que este se mueva. Esta sería una definición bien "casera" donde todos podemos llegar a comprender de que se trata. En realidad la fuerza es algo mucho más complejo, pero la "idea" está, comienza a tener forma.
Dijimos que siempre que hagamos una medición debemos tener una escala adecuada. En el Sistema Internacional de Unidades la fuerza se mide un Newton [N] en honor a Sir Isaac Newton, uno de los "filósofos naturales" más extraordinarios de la humanidad. Pero también la fuerza se mide en Kilogramos fuerza, una unidad más "familiar" para la medición de fuerzas.
O sea que si le aplico una fuerza a un cuerpo y este se desplaza una determinada distancia, entonces, se efectúa un trabajo.
En el Sistema Internacional de Unidades el trabajo tiene como unidad el Joule [J] en honor a James Prescott Joule.
Hablar de trabajo, de energía o calor, es lo mismo. Son sinónimos. O sea que el trabajo, como el calor, se miden un Joule en el S.I
Imaginate que tenes un jarrito de metal, esos que se usan para calentar agua para hacer un té, lo llenas con agua y lo pones en la hornalla de tu cocina. Si te tomas el tiempo para ver que sucede vas a encontrar muchas cosas interesantes. La hornalla transmite calor, esto lo hace a través del gas que se quema entregando energía o trabajo al jarrito que también es de metal y de ahí pasa al agua. El sistema (jarrito, agua) absorbe calor y podemos observar que el agua comienza a moverse.
Luego de un tiempo vemos que ese movimiento empieza a ser cada vez más turbulento hasta que el agua hierve. Estos sucesos "cotidianos" muchas veces pasan desapercibidos pero comprenderlos resultan fundamentales para el estudio de la refrigeración.
Viste que el agua pasa de líquido a vapor cuando la calentamos, sabemos que este cambio de estado es un proceso físico, o sea, podemos repetirlos todas las veces que queramos con la misma cantidad de agua que teníamos y se llama evaporación, el agua no cambia sus propiedades.
Claro que si nos olvidamos el jarrito en la hornalla el agua "desaparece". En realidad el vapor pasa al aire, no es que se pierde, si pudieramos juntarlo y "enfriarlo" podemos obtener agua nuevamente, este cambio físico lo llamamos condensación.
O sea que usando calor podemos obtener cambios físicos en una sustancia, y estos cambios son reversibles, esto significa que podemos realizar ciclos con la misma cantidad de sustancia una y otra vez.

¿Qué es la refrigeración?

Una pregunta pendiente es... ¿Qué es la refrigeración? Bueno... sería muy pretencioso querer definir un dos lineas este concepto...
Cuándo uno se inscribe en un curso tiene varias ideas acerca de lo que quiere, pero muchas veces se encuentra con un mundo mucho más amplio. A ver... cuándo uno piensa en "la refrigeración" es muy probable que lo asocie con "refrigerar" y seguramente con "enfriar algo". Pero... el frío no existe... ¿Cómo que el frío no existe? ¡Imposible! esperen... no sean tan ansiosos, dejen que continúe. En realidad el "concepto de frío" se utiliza en la vida cotidiana. Estamos acostumbrados a utilizar palabras en la vida diaria que son perfectamente entendibles y no generan ningún problema debido a que no necesitan de una aclaración técnica. Sin embargo hay algo que a partir de ahora deberíamos cambiar. En realidad "el frío" es ausencia de calor. Cuándo decimos: ¡Qué frío hace afuera! no es que estemos locos, seguramente afuera habrá una temperatura mucho menor que la temperatura corporal nuestra que es de unos 36 grados centígrados (luego aclararemos esto de "los centígrados"). Tal vez para una persona que viva en la Antártida, 5 grados centígrados sea una temperatura agradable. No podemos "fiarnos" de los sentidos muchas veces, debemos tener en claro que hay conceptos que la ciencia debe definir en base a principios o propiedades, características o leyes, que permitan que todos "hablemos el mismo idioma". Es muy común la expresión: ¡Qué calor que hace, la televisión dice que llegamos a 40 grados! y no está mal, pero hay conceptos que debemos redefinir para poder estudiar refrigeración.
O sea que una heladera... ¿no enfría?
En realidad lo que hace una heladera es extraer un cierta cantidad de calor, como la temperatura y el calor están relacionados, al extraer una cierta cantidad de calor, por lo tanto, baja la temperatura.
Entonces... ¿Calor y temperatura son dos cosas diferentes?
Sí...
Ahora, los equipos de refrigeración no solo "enfrían" también aportan calor, o sea "calientan" también acondicionan el aire, por ejemplo, quitan humedad, polvos. Entonces la refrigeración es un área bastante amplia y ocupa un lugar central en la sociedad. Piensen en todos los equipos de refrigeración que día a día se utilizan en innumerables partes del mundo.
El oficio de "frigorista" o "termomecánico" es infinito. Pero siempre es bueno empezar en algún momento, por eso, como todo oficio o arte, requiere de tiempo, paciencia y de buenas herramientas teóricas y prácticas.
En esta primera parte trataremos de ir de "afuera hacía adentro" empezando por los componentes más básicos, hasta alcanzar los más profundos y complejos.

Para empezar podemos decir:
La refrigeración es un proceso por el cual se extrae (o aporta) un cierta cantidad de calor de un lugar y se la conduce a otro donde su aparición (o ausencia) no tenga importancia o sea utilizada convenientemente.

Como toda definición tiene sus falencias, pero a lo largo del curso vamos a ir completando la idea según nuevos conceptos.