Calor específico
En la playa de Varadero, al mediodía, la arena quema los pies y el agua del mar está fresca. Las dos reciben el mismo Sol durante las mismas horas. ¿Por qué la arena se calienta tanto más? La respuesta está en una propiedad de cada sustancia: el calor específico.
Calor y cambio de temperatura
Cuando pones una olla con agua en la hornilla, el agua recibe energía y su temperatura sube. Esa energía que pasa de un cuerpo a otro por una diferencia de temperatura es el calor, que se designa $Q$ y se mide en joules (J).
Si calientas más tiempo, la temperatura sube más. Si pones más agua, hace falta más calor para lograr el mismo cambio. El calor necesario depende de tres cosas:
-
la masa $m$ de la sustancia (en kg);
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el cambio de temperatura $\Delta t = t_{final} - t_{inicial}$ (en °C);
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la sustancia de que está hecho el cuerpo.
Escribe la relación que permite calcular el calor $Q$ recibido por una sustancia a partir de su masa $m$, su calor específico $c$ y su cambio de temperatura $\Delta t$.…
Escribe la relación que permite calcular el calor $Q$ recibido por una sustancia a partir de su masa $m$, su calor específico $c$ y su cambio de temperatura $\Delta t$. Indica la unidad en que se expresa cada magnitud.
Qué es el calor específico
Si calientas con la misma hornilla 1 kg de agua y 1 kg de aceite, el aceite sube de temperatura mucho más rápido. No todas las sustancias necesitan la misma energía para calentarse.
Para el agua, $c = 4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Significa que 1 kg de agua necesita $4\,180\ \text{J}$ para subir $1\ ^\circ\text{C}$. Y si se enfría $1\ ^\circ\text{C}$, entrega esos mismos $4\,180\ \text{J}$.
| Sustancia | $c$ en $\text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ |
|---|---|
| Agua | 4 180 |
| Aceite de cocina | 2 000 |
| Arena | 800 |
| Hierro | 460 |
Cuanto mayor es $c$, más energía hace falta para calentar la sustancia y más energía guarda al enfriarse.
Explica qué significa que el calor específico del agua sea $4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Indica cuánta energía hace falta para elevar $1\ ^\circ\text{C}$…
Explica qué significa que el calor específico del agua sea $4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Indica cuánta energía hace falta para elevar $1\ ^\circ\text{C}$ la temperatura de $1\ \text{kg}$ de agua.
En la playa de Varadero, en un día soleado, la arena se calienta mucho más que el agua del mar, aunque ambas reciban la misma energía del Sol. a) Explica este hecho…
En la playa de Varadero, en un día soleado, la arena se calienta mucho más que el agua del mar, aunque ambas reciban la misma energía del Sol.
- a) Explica este hecho usando el concepto de calor específico.
- b) Sabiendo que el calor específico de la arena es aproximadamente $800\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ y el del agua $4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$, indica cuál de las dos sustancias necesita más calor para aumentar $1\ ^\circ\text{C}$ por cada kilogramo.
La relación Q = m · c · Δt
Juntando las tres ideas: el calor es proporcional a la masa, al cambio de temperatura y al calor específico.
La fórmula tiene sentido por las unidades: $\text{kg} \cdot \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)} \cdot {}^\circ\text{C} = \text{J}$.
Despejando, también puedes hallar otras magnitudes:
$$\Delta t = \frac{Q}{m \cdot c} \qquad c = \frac{Q}{m \cdot \Delta t} \qquad m = \frac{Q}{c \cdot \Delta t}$$Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de $2\ \text{kg}$ de agua en $10\ ^\circ\text{C}$. Usa $c = 4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de $2\ \text{kg}$ de agua en $10\ ^\circ\text{C}$. Usa $c = 4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
Camila calienta $0{,}5\ \text{kg}$ de agua en una olla desde $20\ ^\circ\text{C}$ hasta $80\ ^\circ\text{C}$. a) Calcula el cambio de temperatura. b) Calcula el calor…
Camila calienta $0{,}5\ \text{kg}$ de agua en una olla desde $20\ ^\circ\text{C}$ hasta $80\ ^\circ\text{C}$.
- a) Calcula el cambio de temperatura.
- b) Calcula el calor que recibe el agua. Usa $c = 4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
Despejar: temperatura final y comparaciones
A veces conoces el calor recibido y quieres saber cuánto sube la temperatura. Entonces despejas $\Delta t$ y sumas ese aumento a la temperatura inicial.
Ahora comparemos: con el mismo calor y la misma masa, ¿quién sube más? Como $\Delta t = Q/(m\cdot c)$, sube más la sustancia con menor $c$. Por eso 1 kg de aceite con $41\,800\ \text{J}$ sube $20{,}9\ ^\circ\text{C}$ y 1 kg de agua solo $10\ ^\circ\text{C}$.
Un trozo de hierro de $2\ \text{kg}$ recibe $18\,400\ \text{J}$ de calor. El calor específico del hierro es $460\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$. a) Calcula cuánto…
Un trozo de hierro de $2\ \text{kg}$ recibe $18\,400\ \text{J}$ de calor. El calor específico del hierro es $460\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
- a) Calcula cuánto aumenta su temperatura.
- b) Si el trozo estaba a $25\ ^\circ\text{C}$, ¿cuál es su temperatura final?
Leonardo calienta $1\ \text{kg}$ de agua y $1\ \text{kg}$ de aceite de cocina, ambos inicialmente a $20\ ^\circ\text{C}$, entregando a cada uno $41\,800\ \text{J}$ de…
Leonardo calienta $1\ \text{kg}$ de agua y $1\ \text{kg}$ de aceite de cocina, ambos inicialmente a $20\ ^\circ\text{C}$, entregando a cada uno $41\,800\ \text{J}$ de calor. El calor específico del agua es $4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ y el del aceite es $2\,000\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
- a) Calcula la temperatura final de cada líquido.
- b) Compara los resultados y explica a qué se debe la diferencia.
- c) Argumenta por qué el agua es muy usada para enfriar motores y para transportar calor.
Por qué el agua es tan especial
El agua tiene un calor específico muy alto. Esto explica hechos de la vida diaria:
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El mar y la arena. Con la misma energía del Sol, la arena ($800$) sube de temperatura mucho más que el agua ($4\,180$). Por eso en Varadero la arena quema y el agua está más fresca. De noche pasa al revés: la arena se enfría pronto y el mar conserva su calor.
-
Enfriar motores. El agua absorbe mucho calor del motor sin calentarse demasiado, por eso se usa en el radiador de un carro.
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Transportar calor. En un sistema de calefacción o de enfriamiento, el agua lleva mucha energía por cada kilogramo que circula.
Calor, energía eléctrica y eficiencia
Un calentador eléctrico no convierte toda su energía en calor útil para el agua: una parte se pierde en el ambiente. La eficiencia es
$$\eta = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{total}}} \cdot 100\ \%$$Y la potencia relaciona energía y tiempo: $P = \dfrac{E}{t}$, con $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Un calentador eléctrico de $2\ \text{kW}$ calienta $10\ \text{kg}$ de agua desde $22\ ^\circ\text{C}$ hasta $42\ ^\circ\text{C}$. Su eficiencia es de $80\ \%$. Usa…
Un calentador eléctrico de $2\ \text{kW}$ calienta $10\ \text{kg}$ de agua desde $22\ ^\circ\text{C}$ hasta $42\ ^\circ\text{C}$. Su eficiencia es de $80\ \%$. Usa $c = 4\,180\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.
- a) Calcula el calor que debe recibir el agua (energía útil).
- b) Calcula la energía eléctrica que debe suministrar el calentador.
- c) Calcula el tiempo, en segundos, que debe funcionar para entregar esa energía. Recuerda que $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Vuelve al principio: la arena de Varadero quema porque su calor específico es pequeño, así que con la misma energía del Sol sube mucho más de temperatura que el agua del mar.