CalorFísica Instituto IACC 11 de febrero de 2018 Desarrollo Ejercicio 1: Determine la cantidad de calorías necesarias para elevar 5.5 litros de agua desde 22° [C] hasta 84° [C]. Respuesta: Para determinar la cantidad de calorías que se necesitan para elevar los 5,5 lts de agua de 22°C a 84°C hacemos la siguiente ecuación 𝑄 = 5500 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝑄 = 5500 ∗ (84°[𝐶] − 22°[𝐶]) 𝑄 = 5500 ∗ 62 𝑄 = 341000 𝑐𝑎𝑙. ҉ Por lo tanto se necesitan 341000 calorías para elevar el agua a 84°C. Ejercicio 2: Una barra Hierro de 𝑚 = 2.8 [kg] aumenta su temperatura dentro del horno desde los 𝑇 = 33° [C] hasta los 𝑇 = 438° [C]. Determine la cantidad de calor transferido al hierro. En este ejercicio aplicaremos la formula del calor específico: 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇 Q = calor transferido c = calor especifico m = masa materia ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) = diferencial T° (inicial-final) 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝐽 𝑄 = 460 [ ] ∗ 2,8[𝐾𝑔] ∗ (438°[𝐶] − 33°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶 𝑄 = 460[𝐽] ∗ 2,8 ∗ 405 𝑄 = 521460[𝐽] Teniendo como resultado Q = 521460 [J] cantidad de calor transferido. Ejercicio 3: Una técnica muy antigua para aumentar la dureza de los metales era templarlos. Esta técnica consiste en calentar los metales a una temperatura muy elevada y bruscamente enfriarlos, sumergiéndolos en agua fría. Consideremos una espada de hierro de 𝑚 = 1.2 [kg] puesta al fuego hasta alcanzar una temperatura 𝑇 = 620° [C], que luego se sumerge rápidamente a una tinaja con 8 litros de agua (𝑚 = 8.0 [kg]). Después de unos segundos, el agua y el hierro alcanzan la misma temperatura. Determine el valor de esta temperatura. Así como en el ejercicio anterior usaremos la fórmula de calor especifico, para poder igualarlos tendremos que realizar 2 ecuaciones y obtendremos T° del equilibrio. 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) −𝑄𝐹𝑒 = −𝑐𝐹𝑒 ∗ 𝑚𝐹𝑒 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝐹𝑒 𝐽 −𝑄𝐹𝑒 = −460 [ ] ∗ 1,2[𝐾𝑔] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶 𝐽 −𝑄𝐹𝑒 = −552 [ ] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) °𝐶 𝑄𝐻2 𝑂 = 𝑐𝐻2 𝑂 ∗ 𝑚𝐻2 𝑂 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝐻2 𝑂 𝐽 𝑄𝐻2 𝑂 = 4190 [ ] ∗ 8[𝐾𝑔] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶 𝐽 𝑄𝐻2 𝑂 = 33520 [ ] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) °𝐶 Ahora como lo mencionamos anteriormente igualamos las ecuaciones. 𝑄𝐻2 𝑂 = −𝑄𝐹𝑒 𝐽 𝐽 33520 [ ] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −552 [ ] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) °𝐶 °𝐶 33520 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −552 ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) 33520 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −(𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) 552 60,72 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −𝑇𝑓 + 620°[𝐶] 60,72 ∗ 𝑇𝑓 − 546,48°[𝐶] = −𝑇𝑓 + 620°[𝐶] 60,72 ∗ 𝑇𝑓 + 𝑇𝑓 = 546,48°[𝐶] + 620°[𝐶] 𝑇𝑓 ∗ (60,72 + 1) = 1166,48°[𝐶] 𝑇𝑓 ∗ (61,72) = 1166,48°[𝐶] 1166,48°[𝐶] 𝑇𝑓 = 61,72 𝑇𝑓 = 18,9°[𝐶] Por lo tanto, obtenemos que la T° final en equilibrio de la espada de Hierro y la tinaja de agua será de 18,9°C. Ejercicio 4 Cite un ejemplo, a nivel industrial, donde se encuentre relacionado el calor y la temperatura y los mecanismos de transmisión de calor, es decir, la conducción, convección y radiación. Recuerde que debe ser explicado con los términos físicos adecuados. Utilice como mínimo 400 palabras, y como máximo, 450. Proceso de Fundición: Del mineral al cobre puro. El concentrado de cobre lleva procesos de pirometalúrgica con concentración del 31% a hornos con temperaturas muy elevadas, en este proceso el concentrado de cobre pasa a cobre metálico y se separa de los otros minerales que se encuentran en la roca como fierro (Fe), azufre (S), sílice (Si) y otros. El proceso de fundición se realiza en etapas que son de Muestreo, Fusión, Conversión y Pirorrefinación. Primero el concentrado se almacena en sectores llamados canchas, es ahí donde se obtienen muestras para determinar los contenidos de cobre, hierro, azufre, sílice y la humedad, información que es fundamental para iniciar el proceso de fusión (CONDUCCIÓN) donde el cobre pasa a estado líquido. En la fusión el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (1.200 ºC) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido. Al pasar al estado líquido, los elementos que componen los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedando los más livianos en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado se concentra en la parte baja. De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas por vías distintas. Según los resultados de los contenidos de cobre, el material se clasifica y se lleva almacenaje en algunos casos silos, después se despacha a los hornos de fundición de acuerdo a las mezclas que se determinen en donde el metal pasa de estado sólido a liquido después de los procesos químicos de separación de otros metales, después son trasportados por baldes don son mantenidos con calor extremo para no perder el estado líquido antes de ser vertidos a una piscinas contenedoras con altas temperaturas (CONVECCIÓN). “Tradicionalmente la fusión puede realizarse de dos maneras, utilizando dos tipos de hornos: el horno de reverbero para la fusión tradicional y el convertidor modificado teniente (CMT) que realiza en una sola operación la fusión y la conversión. En las divisiones de Codelco no se utiliza el horno de reverbero, sino que solo se realiza el proceso de fusión-conversión, utilizando el convertidor modificado teniente.” Atreves de este proceso de conversión son tratados los materiales obtenidos por la fusión, para obtener cobre de alta pureza. “Para esto se utilizan hornos convertidores convencionales llamados Peirce-Smith, en honor a sus creadores.” “El cobre anódico obtenido en la pirorrefinación es moldeado en ánodos. Mediante la pirorrefinación o refinación a fuego se incrementa la pureza del cobre blister obtenido de la conversión. Consiste en eliminar el porcentaje de oxígeno presente el este tipo de cobre, llegando a concentraciones de 99,7 % de cobre. Este es un proceso especial que se aplica en algunas fundiciones, como en la fundición de Caletones, donde el cobre blister es sometido a un proceso final de refinación en un horno basculante, mediante la introducción de troncos de eucaliptus. En este caso, la ignición de la madera permite captar el oxígeno que contiene el cobre blister como impureza y lo transforma en anhídrido carbónico (CO2), que es liberado a la atmósfera. De esta manera, la pureza del cobre se incrementa a 99,7% y el producto se denomina cobre RAF (refinado a fuego).” Después de todos los procesos pirometalúrgicos pasa al proceso de moldeado en ya sea en forma manual o por método automatizado como el teniente, es ahí en donde se convierten el material final después de ser purificado lo más posible con los métodos metalúrgicos y procesos químicos, y transformarse en lingotes, placas, ánodos entre otras formas de cerca de 225 kg. En este proceso vemos la transferencia de calor denominado radiación del cobre líquido a moldes que después son enfriados en piscinas con electrolitos para aumentar su pureza. Bibliografía IACC (2017). Termodinámica: temperatura, calor y primera ley de termodinámica. Física. Semana 5.