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Transformaciones químicas · Termodinámica química

Energía, calor y trabajo

Cebás un mate con agua caliente del termo y, al rato, la bombilla quema y la yerba se enfrió. ¿Adónde fue esa energía y cómo se puede medir cuánta fue? Calor y trabajo son dos caminos para cambiar la energía de un sistema, y el primer principio dice que, sumados, dan siempre la misma variación de energía interna.

Energía interna, calor y trabajo

Si te frotás las manos en una mañana fría de Bariloche, se calientan sin ninguna estufa: transformaste trabajo mecánico en agitación de partículas. ¿Cómo cuantificamos la energía acumulada en un cuerpo y cómo cambia cuando recibe calor o trabajo?

Diagrama de flujo de energía que ilustra el criterio de signos para el calor y el trabajo intercambiados entre un sistema y su entorno SISTEMA ΔU q > 0 w < 0 w > 0 q < 0 entra sale
Practica★☆☆Sin empezar
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:

  1. a) Calculá la cantidad de calor absorbida por el bloque metálico expresada en joules y en kilojoules.
  2. b) Justificá conceptualmente por qué el calor absorbido no es una propiedad intrínseca que posea el bloque, diferenciando con claridad entre calor y temperatura.
Resolver

El trabajo de expansión de un gas

Si calentás el aire atrapado en una jeringa con el émbolo libre, el émbolo se desplaza hacia afuera empujando el aire de la atmósfera. ¿Cuánta energía transfiere el gas al expandirse contra la presión exterior?

Cilindro con émbolo móvil que muestra la expansión de un gas desde un volumen inicial a uno final contra una presión exterior constante P ext V₁ V₂ gas

El primer principio: ΔU = q + w

Balance energético del primer principio: calor más trabajo es igual a la variación de energía interna q + w = ΔU calor + trabajo = variación de energía interna

Calorimetría: medir el calor con un termómetro

Metés una tuerca recién sacada de agua hirviendo en un vaso con agua a temperatura ambiente: el agua se entibia y el metal se enfría hasta igualar temperaturas. ¿Cómo medimos el calor transferido conociendo solo masas y temperaturas? Es la misma técnica con la que se mide el calor de disolución de un soluto en agua.

Practica★★☆Sin empezar
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.

  1. a) Planteá el balance de calorimetría y determiná el calor específico del metal expresado en $\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.
  2. 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.
Resolver

Vuelta al principio: el calor del agua del termo no «se perdió»: pasó al mate, a la bombilla y al aire, y la energía total se conservó. Con $q = m\cdot c\cdot\Delta T$ podés medir cuánto fue.

Resumen

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