¿Cómo calcular el calor específico y latente de un metal?

¿Cómo calcular el calor específico de un metal?

Saber cómo calcular el calor específico y latente de un metal puede parecer complicado cuando no se está familiarizado con los principios básicos implicados. Sin embargo, entender y aplicar estos cálculos es importante por varias razones. En primer lugar, ayuda a comprender las propiedades térmicas de los metales, lo cual es crucial a la hora de fabricar productos y elegir los materiales más aptos de acuerdo con su finalidad.

Así mismo, calculando el calor específico, es posible determinar cuánta energía térmica se necesita para elevar la temperatura de un metal en una determinada cantidad. Esta información es esencial para diseñar y elegir un horno de fundición adecuado para tus necesidades. Por ello, en este artículo de Electroheat Induction, te guiaremos paso a paso en el cálculo del calor específico y latente de un metal.

¿Qué es el calor específico de un metal?

Cuando se habla del calor específico de un metal, esto se refiere a la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de una cantidad determinada de ese material. Es una propiedad física exclusiva de cada metal y ayuda a determinar la capacidad de un metal para conducir o transferir calor. 

El calor específico suele medirse en unidades de julios (joules) por gramo por grado Celsius (J/g°C). Este valor es crucial en diversos campos, como la ingeniería y la metalurgia, ya que ayuda a diseñar sistemas de transferencia de calor y a comprender las propiedades térmicas de los distintos metales.

¿Qué es el calor latente?

El calor latente de un metal, por otro lado, es un término utilizado para describir la cantidad de energía térmica necesaria para provocar un cambio de fase en el metal sin que cambie su temperatura. Este cambio de fase suele implicar la transición del metal entre un estado sólido y un estado líquido, o viceversa.

El calor latente de un metal es una propiedad importante a comprender porque ayuda a determinar la cantidad de energía necesaria para fundir o solidificar el metal, lo que es necesario en procesos como la soldadura o la fundición. A diferencia del calor específico, el calor latente suele medirse en unidades de julios por gramo (J/g) o calorías por gramo (cal/g).

Diferencias entre calor específico y calor latente

Para comprender cómo calcular el calor específico o latente de un metal, es crucial comprender las diferencias entre ambos. Los principales puntos en los que se diferencian son: 

  1. Cambios experimentados por el metal. El calor específico hace referencia a elevar la temperatura de un metal en una determinada cantidad, mientras que el calor latente habla de un cambio en su estado sin que necesariamente cambie su temperatura. 
  2. Transferencia de energía. Mientras que el calor específico se refiere a la energía transferida a través del movimiento cinético de las partículas dentro de una sustancia, el calor latente implica la energía absorbida o liberada cuando una sustancia experimenta un cambio de fase.
  3. Importancia y utilidad. Calcular el calor específico sirve para diseñar sistemas que impliquen transferencia de calor; por otro lado, la fórmula del calor latente es útil en el almacenamiento de energía y diversos procesos industriales.

¿Cómo calcular el consumo de energía utilizando calor específico y latente? Fórmulas

El calor específico de un metal puede calcularse mediante la fórmula: Q = mc∆T, donde Q es la energía calorífica transferida, m es la masa del metal, c es la capacidad calorífica específica del metal concreto y ∆T es el cambio de temperatura.

Por otro lado, la fórmula para calcular el calor latente de un metal se basa en su capacidad calorífica específica y en la cantidad de calor absorbido o liberado durante un cambio de fase. 

La fórmula es Q = m * L, donde Q representa la energía calorífica, m es la masa del metal y L es el calor latente. El valor del calor latente y específico de cada metal puede encontrarse en materiales de referencia ya creados. 

Ahora bien, todos los metales tienen diferentes tasas de fusión en determinada potencia de kW. En muchos casos, la temperatura de fusión de un metal compuesto será la temperatura de ebullición de otro metal compuesto en el mismo metal líquido. 

Ejemplo: cómo calcular el calor específico y latente de la plata

En el horno de fusión de plata, la potencia teórica requerida (kW) se puede calcular utilizando el calor específico y el calor latente del metal. 

Como mencionamos anteriormente, cada metal tiene un calor específico y calor latente diferentes. La potencia necesaria para el horno de fusión de plata se puede calcular utilizando los siguientes valores:

  • Calor específico de la plata: 0,237 J / g ° C
  • Calor latente de la plata: 11 J / g
  • Temperatura de fusión de la plata: 961 C

El cálculo también dependerá del tipo de colación que se llevará a cabo. En comparación con la colada directa, la colada de cuchara (donde la distancia recorrida desde el horno de fusión a la zona de colada es mayor) la temperatura de colada se vuelve superior. En tales casos, la necesidad de potencia es mayor para la misma tasa de producción. 

Las siguientes pérdidas de temperatura deben considerarse durante el cálculo de la potencia en el horno de fusión de plata:

Pérdidas de temperatura: 

45 °C horno a cuchara

Entre 20 y 35 °C de supercalentamiento

Por lo tanto, 961°C + 80°C = 1041 para el sangrado

Ahora, para calcular la masa de la plata:

Masa = 1 ton = 1000 kg

Masa = 1000 x 10^3 gm

Masa = 1 x 10^6 gm

Para calcular el calor específico requerido 

Recordemos que Q 1= masa x calor específico x cambio de temperatura.

Sustituyendo:

Q 1= 1 x 10^6 gm x 0.237 J/g C x (1041 – 25)     

1041 C = Temperatura de fusión

Q 1= 2.41 x 10^8 J                    

25 C = Temperatura ambiente

 

Para calcular el calor latente requerido   

Recordemos que Q 2 = masa x calor latente.

Sustituyendo:

Q 2 = 1 x 10^6 gm x 1.05 x10^2 J/gm

Q 2 = 1.05 x 10^8 J

De modo que la energía total requerida para fundir una tonelada de plata = Calor específico + Calor latente

Q 1 + Q 2

2.41 x 10^8 J + 1.05 x 10^8 J

3.19 x 10^8 j

Sabemos que, 1 J = 2.78 x 10^ -7 kWh

Por lo tanto, la potencia requerida en kWh = 2.78 x 10^-7 x 3.19 x 10^8 = 88.682 kWh

Mediante la teoría anterior, la potencia requerida se puede calcular para numerosas aplicaciones de calentamiento, endurecimiento y de fusión por inducción. 

Ahora que sabes cómo calcular el calor específico y latente de un metal y conocer el consumo de energía requerido, estás listo para seleccionar un horno de inducción para fusión que se ajuste a tus necesidades de eficiencia. En Electroheat Induction podemos crear un horno personalizado para esas necesidades, ¡contáctanos para una cotización!