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11° media · Física
Dilatación térmica y primera ley de la termodinámica · Primera ley de la termodinámica y calorimetría

Calorimetría: calor específico y calor latente

Un raspao en Las Tablas: el vendedor raspa un bloque de hielo y lo baña con sirope. Bajo el sol, el hielo se derrite en minutos, pero mientras queda hielo, el vaso sigue a 0 °C aunque el sol le siga dando calor. ¿A dónde va ese calor si la temperatura no sube? Al final de la página lo respondemos.

Calor específico: cambiar la temperatura

Pon al fuego una olla con 1 kg de agua y otra con 1 kg de aceite. Con el mismo calor, el aceite se calienta mucho más rápido. Cada sustancia necesita una cantidad distinta de calor para subir 1 °C.

Esa propiedad se llama calor específico $c$: el calor necesario para elevar 1 °C la temperatura de 1 kg de la sustancia. Mientras no cambie de estado, el calor depende de tres cosas: la masa, el calor específico y el cambio de temperatura.

¿Por qué es proporcional a $m$ y a $\Delta T$? Porque calentar el doble de masa, o el doble de grados, requiere el doble de energía.

Sustancia $c$ en J/(kg·°C)
Agua líquida 4,186
Hielo 2,090

La caloría es otra unidad de calor: $1\ \text{cal} = 4.186\ \text{J}$.

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Define calor específico y calor latente, y escribe las expresiones $Q = mc\,\Delta T$ y $Q = mL$. Indica en qué situaciones se usa cada una.

Define calor específico y calor latente, y escribe las expresiones $Q = mc\,\Delta T$ y $Q = mL$. Indica en qué situaciones se usa cada una.

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Practica★☆☆Sin empezar
Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de $2.0\ \text{kg}$ de agua de $20\ ^\circ\text{C}$ a $60\ ^\circ\text{C}$. Usa…

Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de $2.0\ \text{kg}$ de agua de $20\ ^\circ\text{C}$ a $60\ ^\circ\text{C}$. Usa $c = 4{,}186\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$.

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Calor latente: cambiar de estado

Cuando el hielo se funde, su temperatura se queda en 0 °C hasta que se derrite todo. El calor que entra no sube la temperatura: se usa para romper el ordenamiento de las moléculas del sólido. Ese calor es el calor latente.

Fundir absorbe calor ($Q>0$); congelar lo libera ($Q<0$), con el mismo valor de $L_f$.

Gráfica de temperatura contra calor absorbido por hielo: sube, se mantiene en 0 °C al fundirse y vuelve a subir como agua. T (°C) Q absorbido 0 hielo sube se funde: T constante agua sube
Practica★☆☆Sin empezar
Calcula el calor que se debe extraer para congelar por completo $0.50\ \text{kg}$ de agua que ya está a $0\ ^\circ\text{C}$. El calor latente de fusión del hielo es…

Calcula el calor que se debe extraer para congelar por completo $0.50\ \text{kg}$ de agua que ya está a $0\ ^\circ\text{C}$. El calor latente de fusión del hielo es $L_f = 3.34\times10^{5}\ \text{J/kg}$.

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Varias etapas: de hielo frío a agua

Para llevar hielo a −10 °C hasta agua líquida hay que sumar etapas: calentar el hielo hasta 0 °C ($mc_{hielo}\Delta T$), fundirlo ($mL_f$) y, si se pide, calentar el agua ($mc_{agua}\Delta T$). Cada etapa usa su propia fórmula.

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Se calientan $0.250\ \text{kg}$ de hielo que están a $-10\ ^\circ\text{C}$ hasta convertirlos en agua líquida a $0\ ^\circ\text{C}$. Usa…

Se calientan $0.250\ \text{kg}$ de hielo que están a $-10\ ^\circ\text{C}$ hasta convertirlos en agua líquida a $0\ ^\circ\text{C}$. Usa $c_{hielo} = 2{,}090\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ y $L_f = 3.34\times10^{5}\ \text{J/kg}$. Calcula el calor necesario en cada etapa (calentar el hielo y fundirlo) y el calor total.

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Mezclas en un recipiente aislado

En un termo o calorímetro bien aislado no entra ni sale energía. El calor que cede lo caliente lo absorbe lo frío, hasta alcanzar la temperatura de equilibrio $T_e$. Es conservación de la energía:

Para hallar el calor específico de un metal (experiencia de laboratorio) se calienta el bloque, se sumerge en agua de masa y temperatura conocidas y se mide $T_e$. Se despeja $c$ del balance.

Practica★★☆Sin empezar
Omar calienta un bloque metálico de $0.400\ \text{kg}$ hasta $100\ ^\circ\text{C}$ y lo sumerge en $0.500\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ dentro de un…

Omar calienta un bloque metálico de $0.400\ \text{kg}$ hasta $100\ ^\circ\text{C}$ y lo sumerge en $0.500\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ dentro de un recipiente aislado. La temperatura final de equilibrio es $25\ ^\circ\text{C}$. Calcula el calor específico del metal. Usa $c_{agua} = 4{,}186\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ y desprecia el recipiente.

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Practica★★☆Sin empezar
Yariela mezcla $0.300\ \text{kg}$ de agua a $80\ ^\circ\text{C}$ con $0.200\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ en un termo bien aislado. Calcula la temperatura…

Yariela mezcla $0.300\ \text{kg}$ de agua a $80\ ^\circ\text{C}$ con $0.200\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ en un termo bien aislado. Calcula la temperatura de equilibrio de la mezcla y explica qué principio de conservación usas.

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Mezclas con hielo

Con hielo hay que averiguar primero qué pasa: ¿se funde todo o queda hielo? Compara:

  1. El calor máximo que puede ceder el agua caliente hasta bajar a 0 °C.

  2. El calor necesario para llevar el hielo a 0 °C y fundirlo.

Si lo cedido es mayor, el hielo se funde por completo y la mezcla termina por encima de 0 °C. Si es menor, queda hielo y $T_e = 0\ ^\circ\text{C}$.

Practica★★★Sin empezar
En un calorímetro aislado, de capacidad térmica despreciable, se colocan $0.100\ \text{kg}$ de hielo a $0\ ^\circ\text{C}$ y se les agrega $0.300\ \text{kg}$ de agua a…

En un calorímetro aislado, de capacidad térmica despreciable, se colocan $0.100\ \text{kg}$ de hielo a $0\ ^\circ\text{C}$ y se les agrega $0.300\ \text{kg}$ de agua a $40\ ^\circ\text{C}$. Usa $L_f = 3.34\times10^{5}\ \text{J/kg}$ y $c_{agua} = 4{,}186\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$. a) Determina si el hielo se funde por completo comparando el calor que puede ceder el agua al enfriarse hasta $0\ ^\circ\text{C}$ con el necesario para fundir el hielo. b) Calcula la temperatura final de equilibrio.

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Practica★★★Sin empezar
Luis Carlos quiere enfriar $0.250\ \text{kg}$ de jugo (considéralo agua) que está a $25\ ^\circ\text{C}$ agregándole hielo a $-5\ ^\circ\text{C}$. Datos:…

Luis Carlos quiere enfriar $0.250\ \text{kg}$ de jugo (considéralo agua) que está a $25\ ^\circ\text{C}$ agregándole hielo a $-5\ ^\circ\text{C}$. Datos: $c_{agua} = 4{,}186\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$, $c_{hielo} = 2{,}090\ \text{J/(kg}\cdot{}^\circ\text{C)}$ y $L_f = 3.34\times10^{5}\ \text{J/kg}$. a) Plantea la ecuación de conservación de energía para hallar la masa de hielo que debe agregar para que la mezcla final quede a $5\ ^\circ\text{C}$ y resuélvela. b) Explica por qué usar hielo enfría más eficazmente que usar la misma masa de agua fría a $0\ ^\circ\text{C}$.

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Resumen

Vuelve al principio: en el raspao el calor entra, pero mientras queda hielo se emplea en $mL_f$ y la temperatura no sube.

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