Energía, calor y calorimetría
Valentina saca una tuerca de metal de una olla con agua hirviendo y la mete en un vaso con agua de la canilla. El agua se entibia y la tuerca se enfría hasta que las dos quedan a la misma temperatura. ¿Cuánta energía pasó de una a otra, y cómo se puede saber con solo una balanza y un termómetro?
Energía interna, calor y trabajo
Cuando te frotás las manos en un día de frío, se calientan sin acercarlas a ninguna estufa: transformaste movimiento en agitación de partículas.
La energía entra o sale de un sistema por dos caminos:
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Calor ($q$): energía que se transfiere porque hay diferencia de temperatura.
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Trabajo ($w$): energía que se transfiere por una fuerza que produce un desplazamiento, por ejemplo un gas que empuja un pistón.
En una práctica de laboratorio se calienta un bloque de aluminio de masa $m = 150{,}0\,\text{g}$ desde una temperatura inicial de $18{,}0\,^{\circ}\text{C}$ hasta…
En una práctica de laboratorio se calienta un bloque de aluminio de masa $m = 150{,}0\,\text{g}$ desde una temperatura inicial de $18{,}0\,^{\circ}\text{C}$ hasta $68{,}0\,^{\circ}\text{C}$. Sabiendo que el calor específico del aluminio en este intervalo es $c = 0{,}897\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ y suponiendo despreciables las pérdidas térmicas con el entorno:
- a) Calculá la cantidad de calor absorbida por el bloque metálico expresada en joules y en kilojoules.
- b) Justificá conceptualmente por qué el calor absorbido no es una propiedad intrínseca que posea el bloque, diferenciando con claridad entre calor y temperatura.
El primer principio
La energía no se crea ni se destruye, solo se transfiere. Aplicado a un sistema cerrado:
Cuando el gas se expande contra una presión exterior constante, el trabajo es $w = -P_{\text{ext}}\cdot\Delta V$. Si $\Delta V > 0$ el gas cede energía ($w<0$); si se comprime, la recibe ($w>0$). Si $P_{\text{ext}}$ está en atm y $\Delta V$ en L, el resultado está en atm·L y se convierte con $1\ \text{atm}\cdot\text{L} = 101{,}3\ \text{J}$.
Calorimetría: medir el calor con un termómetro
Volvamos a la tuerca de Valentina. Si no cambia de estado de agregación, el calor que gana o pierde un cuerpo depende de su masa, de qué material es y de cuánto cambia su temperatura.
En un calorímetro aislado, el calor que cede el cuerpo caliente lo absorbe el cuerpo frío: $\sum q_i = 0$, es decir, $q_{\text{cedido}} + q_{\text{absorbido}} = 0$.
En un calorímetro de mezclas a presión constante cuya capacidad calorífica propia es despreciable, se introducen $250{,}0\,\text{g}$ de agua líquida a una temperatura de…
En un calorímetro de mezclas a presión constante cuya capacidad calorífica propia es despreciable, se introducen $250{,}0\,\text{g}$ de agua líquida a una temperatura de $20{,}0\,^{\circ}\text{C}$. A continuación, se añade una pieza metálica de masa $80{,}0\,\text{g}$ extraída de una estufa a $95{,}0\,^{\circ}\text{C}$. Se agita la mezcla hasta que se alcanza una temperatura de equilibrio térmico de $24{,}2\,^{\circ}\text{C}$. Datos: calor específico del agua líquida $c_{\text{agua}} = 4{,}184\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$. Suponé que no existen pérdidas de calor al exterior.
- a) Planteá el balance de calorimetría y determiná el calor específico del metal expresado en $\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.
- b) Si durante el ensayo se hubiese producido una pequeña pérdida de calor hacia el entorno exterior, razoná si el valor experimental obtenido para el calor específico del metal resultaría mayor o menor que el real.
Volvé al principio: la energía que pasó de la tuerca al agua se calcula con $q = m\cdot c\cdot\Delta T$ midiendo masas y temperaturas, y el calor cedido por una es el absorbido por la otra.