Calor específico, cambios de estado y equilibrio térmico
Camila prepara colada morada. Pone una olla de agua en la cocina y se da cuenta de que el agua tarda varios minutos en calentarse, pero la cuchara de metal que dejó dentro quema en pocos segundos. Si las dos reciben la misma energía, ¿por qué no se calientan igual? ¿Y por qué, cuando el agua ya hierve, la temperatura deja de subir aunque la llama siga encendida? En esta página responderás a estas preguntas con una sola idea: la energía que pasa de un cuerpo a otro.
Temperatura, calor y equilibrio térmico
Todo está formado por partículas que se mueven sin parar. La temperatura mide la energía cinética promedio de esas partículas: a más temperatura, más rápido se agitan en promedio.
El calor ($Q$) es otra cosa: es la energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a distinta temperatura. Un cuerpo no «tiene calor»; tiene energía interna y temperatura. El calor es la energía en tránsito. Se mide en joules (J).
Si pones en contacto un cuerpo caliente con uno frío, la energía fluye del caliente al frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Entonces están en equilibrio térmico y ya no hay flujo neto de energía.
Esta ley es la que permite usar un termómetro. El termómetro (C) llega al equilibrio con tu cuerpo (A) y su lectura te dice que A y cualquier otro cuerpo con la misma lectura (B) tienen la misma temperatura.
Mueve la temperatura en el interactivo y observa cómo cambia la agitación de las partículas.
El calor específico: Q = m·c·ΔT
Si calientas con la misma llama 1 kg de agua y 1 kg de aceite, el aceite sube de temperatura mucho más rápido. Cada sustancia necesita una cantidad de energía distinta para subir 1 °C.
Al experimentar con una sola sustancia, sin que cambie de estado, se encuentra esto:
-
Si duplicas la masa, necesitas el doble de calor para el mismo aumento de temperatura.
-
Si duplicas el aumento de temperatura, necesitas el doble de calor.
-
Si cambias de sustancia, cambia la cantidad de calor.
El calor es proporcional a la masa y al cambio de temperatura. La constante que depende de la sustancia se llama calor específico $c$: la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 kg de esa sustancia.
Si $\Delta T>0$, $Q>0$: el cuerpo absorbe calor. Si $\Delta T<0$, $Q<0$: el cuerpo cede calor.
| Sustancia | $c$ en J/(kg·°C) |
|---|---|
| Agua | 4.180 |
| Aluminio | 900 |
| Cobre | 390 |
El producto $C = m\,c$ se llama capacidad calorífica del cuerpo (J/°C): lo que cuesta calentar ese objeto entero 1 °C. Con ella, $Q = C\,\Delta T$, o sea $\Delta T = Q/C$: la variación de temperatura es proporcional a la energía añadida y la constante de proporcionalidad es $1/C$. Un objeto con $C$ grande cambia poco de temperatura aunque reciba mucha energía.
Define con tus palabras qué es el calor específico de una sustancia y escribe la expresión $Q = m\,c\,\Delta T$ indicando qué representa cada símbolo y en qué unidades…
Define con tus palabras qué es el calor específico de una sustancia y escribe la expresión $Q = m\,c\,\Delta T$ indicando qué representa cada símbolo y en qué unidades del Sistema Internacional se expresa cada uno.
Camila calienta 0{,}50 kg de agua en una olla para preparar colada morada, de modo que su temperatura sube de 20 °C a 60 °C. Calcula la cantidad de calor que absorbe el…
Camila calienta 0{,}50 kg de agua en una olla para preparar colada morada, de modo que su temperatura sube de 20 °C a 60 °C. Calcula la cantidad de calor que absorbe el agua. Usa $c_{agua} = 4.180\ \text{J/(kg·°C)}$.
En el laboratorio del colegio se suministra la misma cantidad de calor, $Q = 8{,}0\ \text{kJ}$, a dos bloques de igual masa, 1{,}0 kg: uno de aluminio (…
En el laboratorio del colegio se suministra la misma cantidad de calor, $Q = 8{,}0\ \text{kJ}$, a dos bloques de igual masa, 1{,}0 kg: uno de aluminio ($c = 900\ \text{J/(kg·°C)}$) y otro de cobre ($c = 390\ \text{J/(kg·°C)}$). Ambos parten de 20 °C. Calcula la temperatura final de cada bloque e interpreta por qué difieren, relacionándolo con el calor específico.
Cambios de estado y calor latente
Pon hielo a 0 °C en una olla sobre la llama. El hielo recibe energía, pero la temperatura se queda en 0 °C hasta que se derrite todo. Lo mismo pasa con el agua que hierve a 100 °C: sigue recibiendo energía y no sube de temperatura hasta que se evapora.
¿A dónde va esa energía? No aumenta la agitación de las partículas; se usa para romper las uniones entre ellas y pasar de un estado a otro. Mientras dura el cambio de estado, la temperatura permanece constante.
La energía necesaria para cambiar de estado una masa $m$ a temperatura constante es proporcional a esa masa:
Para fundir el hielo se absorbe $Q = m\,L_f$; cuando el agua se congela, cede esa misma cantidad. Con $Q = m\,L$ no hay $\Delta T$ porque la temperatura no cambia.
Un cubo de hielo a 0 °C recibe energía y se derrite por completo sin que cambie su temperatura. Explica por qué la temperatura no aumenta mientras ocurre la fusión y…
Un cubo de hielo a 0 °C recibe energía y se derrite por completo sin que cambie su temperatura. Explica por qué la temperatura no aumenta mientras ocurre la fusión y nombra la magnitud física que describe la energía necesaria para fundir cada kilogramo de hielo.
Santiago necesita fundir 0{,}20 kg de hielo que está a 0 °C para preparar jugo. Calcula el calor que debe absorber el hielo para convertirse totalmente en agua a 0 °C y,…
Santiago necesita fundir 0{,}20 kg de hielo que está a 0 °C para preparar jugo. Calcula el calor que debe absorber el hielo para convertirse totalmente en agua a 0 °C y, después, el calor adicional para llevar esa agua hasta 25 °C. Datos: $L_f = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J/kg}$ y $c_{agua} = 4.180\ \text{J/(kg·°C)}$. Indica el calor total.
Temperatura de equilibrio
Mezcla agua caliente y agua fría en un recipiente aislado. El caliente cede energía, el frío la absorbe, y al final queda una sola temperatura intermedia: la temperatura de equilibrio $T_e$.
Si no se pierde energía hacia el ambiente, la energía no se crea ni se destruye: todo lo que cede un cuerpo lo absorbe el otro. Es la conservación de la energía aplicada al calor:
Un cuerpo con mucha capacidad calorífica ($m\,c$ grande) cambia poco su temperatura, así que $T_e$ queda más cerca de la temperatura inicial de ese cuerpo.
Valentina mezcla 0{,}30 kg de agua a 80 °C con 0{,}60 kg de agua a 20 °C en un recipiente aislado. Calcula la temperatura de equilibrio, suponiendo que no hay pérdidas…
Valentina mezcla 0{,}30 kg de agua a 80 °C con 0{,}60 kg de agua a 20 °C en un recipiente aislado. Calcula la temperatura de equilibrio, suponiendo que no hay pérdidas de energía hacia el ambiente. Explica brevemente qué principio de conservación aplicas.
Mateo introduce una pieza de aluminio de 0{,}40 kg, calentada a 150 °C, en un recipiente aislado que contiene 0{,}50 kg de agua a 20 °C. Considera…
Mateo introduce una pieza de aluminio de 0{,}40 kg, calentada a 150 °C, en un recipiente aislado que contiene 0{,}50 kg de agua a 20 °C. Considera $c_{Al} = 900\ \text{J/(kg·°C)}$ y $c_{agua} = 4.180\ \text{J/(kg·°C)}$, y desprecia la capacidad térmica del recipiente.
- a) Calcula la temperatura de equilibrio.
- b) Verifica que el calor cedido por el aluminio es igual al absorbido por el agua.
- c) Explica por qué la temperatura final queda mucho más cerca de la inicial del agua que de la del aluminio.
Ariana quiere enfriar 0{,}25 kg de jugo (considéralo agua, $c = 4.180\ \text{J/(kg·°C)}$) desde 25 °C hasta 5 °C añadiendo hielo que está a 0 °C. Datos:…
Ariana quiere enfriar 0{,}25 kg de jugo (considéralo agua, $c = 4.180\ \text{J/(kg·°C)}$) desde 25 °C hasta 5 °C añadiendo hielo que está a 0 °C. Datos: $L_f = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J/kg}$. Supón que el sistema está aislado y que el hielo se funde por completo y su agua resultante se calienta hasta la temperatura final de 5 °C.
- a) Plantea el balance de energía entre el jugo y el hielo.
- b) Calcula la masa de hielo necesaria.
- c) Argumenta qué ocurriría con la temperatura final si, en lugar de la masa calculada, se añadiera el doble de hielo, y si todo el hielo llegaría a fundirse.
¿Cómo viaja el calor?
La energía pasa de un cuerpo caliente a uno frío de tres maneras:
| Mecanismo | Cómo ocurre | Ejemplo cotidiano |
|---|---|---|
| Conducción | Las partículas que vibran más chocan con sus vecinas y les pasan energía, sin que la materia se desplace. Los metales conducen muy bien. | El mango metálico de una olla se calienta hasta quemar. |
| Convección | Un fluido (líquido o gas) calentado se vuelve menos denso, sube, y el fluido frío baja: se forman corrientes que transportan la energía. | El agua de la olla en movimiento antes de hervir; el aire caliente que sube sobre una cocina. |
| Radiación | La energía viaja como ondas electromagnéticas y no necesita ningún medio material. | El calor del Sol que llega a la Tierra a través del vacío. |
Vuelve al principio: la cuchara de metal quema en segundos porque tiene un calor específico pequeño (poca energía por grado) y conduce muy bien el calor, mientras que el agua necesita mucha energía por kilogramo y grado. Y el agua hirviendo no sube de 100 °C porque toda la energía que recibe se invierte en el calor latente de vaporización.