Fenómenos físicos, químicos y nucleares y transferencia de calor
Una olla con agua sobre la hornilla de gas de Camisea, un glaciar del Huascarán que se derrite y el uranio de un reactor nuclear: en los tres casos hay energía en juego, pero no ocurre lo mismo con la materia. ¿Cómo saber si la sustancia cambió o solo cambió su aspecto? ¿Cuánto calor necesita el agua para calentarse? ¿De dónde sale tanta energía en un reactor? Al final de la página responderás las tres preguntas.
Fenómenos físicos, químicos y nucleares
Un fenómeno es cualquier cambio que sufre la materia. Se clasifican según lo que le pasa a la identidad de las sustancias, es decir, a qué átomos y a qué compuestos hay antes y después.
Ejemplos de cada tipo
| Tipo | Ejemplos | Razón |
|---|---|---|
| Físico | fusión del hielo, ebullición del agua, disolver azúcar en agua, romper una roca, doblar un alambre | La sustancia sigue siendo la misma; se recupera por medios físicos (evaporar, enfriar) |
| Químico | combustión del gas, oxidación de un clavo, fermentación de la chicha, digestión, cocción de un huevo | Aparecen sustancias nuevas (cambia el color, hay gas, calor, precipitado) |
| Nuclear | fisión del uranio en un reactor, fusión del hidrógeno en el Sol, desintegración del radio | Cambia el núcleo: un elemento se transforma en otro |
Fisión y fusión
Los fenómenos nucleares más conocidos son dos:
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Fisión: un núcleo pesado (uranio-235, plutonio) se divide en núcleos más pequeños. Es la que ocurre en las centrales nucleares y en la bomba atómica.
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Fusión: núcleos muy ligeros (hidrógeno) se unen para formar uno más pesado (helio). Ocurre en el Sol y las estrellas.
En ambas, la masa total de los productos es ligeramente menor que la de los reactantes. Esa masa «perdida» es la energía liberada (lo verás en la última sección).
Clasifica cada fenómeno como físico, químico o nuclear: la fusión de un glaciar andino, la combustión del gas de Camisea, la desintegración del uranio en un reactor y la…
Clasifica cada fenómeno como físico, químico o nuclear: la fusión de un glaciar andino, la combustión del gas de Camisea, la desintegración del uranio en un reactor y la disolución de azúcar en agua. Escribe una razón breve para cada caso.
Calor y temperatura
Dos tazas de café: una pequeña y otra grande, ambas a 80 °C. Tienen la misma temperatura, pero la grande contiene más calor que puede ceder. Esa diferencia es la clave.
$$1\ \text{cal} = 4.18\ \text{J} \qquad 1\ \text{kcal} = 1{,}000\ \text{cal}$$| Temperatura | Calor | |
|---|---|---|
| Qué es | Agitación promedio de partículas | Energía en tránsito |
| Depende de la masa | No | Sí |
| Unidad SI | kelvin (K) | joule (J) |
| Instrumento | Termómetro | Calorímetro |
Define calor y temperatura, y explica en una o dos frases en qué se diferencian. Indica además en qué unidad del SI se mide el calor.
Define calor y temperatura, y explica en una o dos frases en qué se diferencian. Indica además en qué unidad del SI se mide el calor.
Cómo se transfiere el calor
Cuando sostienes una olla por el mango metálico, te quemas; cuando estás frente a una fogata, sientes el calor sin tocarla. El calor viaja de tres maneras.
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Conducción: el calor pasa por contacto, de partícula a partícula, sobre todo en sólidos (metales: buenos conductores; madera, tecnopor: aislantes).
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Convección: el calor lo llevan las corrientes de un fluido (líquido o gas): lo caliente sube y lo frío baja, como el agua de la olla o el aire sobre una estufa.
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Radiación: el calor viaja como ondas electromagnéticas y no necesita materia. Así llega la energía del Sol a la Tierra.
Calor y cambio de temperatura: Q = m·Ce·ΔT
¿Por qué el agua de la olla tarda tanto en calentarse, pero una sartén de hierro se pone al rojo rápido? Cada sustancia necesita una cantidad distinta de calor para subir 1 °C.
Porqué: si cada gramo necesita $C_e$ cal por grado, entonces $m$ gramos y $\Delta T$ grados necesitan $m \cdot C_e \cdot \Delta T$.
Luciana calienta en una olla 500 g de agua desde 20 °C hasta 80 °C. Considera que el calor específico del agua es $1.0\ \text{cal/(g·°C)}$. Calcula la cantidad de calor,…
Luciana calienta en una olla 500 g de agua desde 20 °C hasta 80 °C. Considera que el calor específico del agua es $1.0\ \text{cal/(g·°C)}$. Calcula la cantidad de calor, en calorías y en kilocalorías, que absorbió el agua.
Equilibrio térmico y mezclas
Si mezclas agua caliente con agua fría en un recipiente aislado, el calor que cede lo caliente es exactamente el que gana lo frío. Es la conservación de la energía.
Con un metal y agua el método es el mismo, pero cada cuerpo lleva su propio $C_e$. Con un calorímetro ideal (sin pérdidas):
$$m_{\text{agua}}\, C_{e,\text{agua}}\,(T_e - T_{\text{agua}}) + m_{\text{metal}}\, C_{e,\text{metal}}\,(T_e - T_{\text{metal}}) = 0$$Diego prepara una infusión: mezcla 200 g de agua a 90 °C con 300 g de agua a 20 °C en un recipiente aislado. Suponiendo que no hay pérdidas de calor, calcula la…
Diego prepara una infusión: mezcla 200 g de agua a 90 °C con 300 g de agua a 20 °C en un recipiente aislado. Suponiendo que no hay pérdidas de calor, calcula la temperatura final de equilibrio y explica en qué sentido se transfirió el calor.
Una barra metálica de 400 g a 150 °C se sumerge en 600 g de agua a 20 °C dentro de un calorímetro ideal (sin pérdidas). La temperatura final de equilibrio es 30 °C.…
Una barra metálica de 400 g a 150 °C se sumerge en 600 g de agua a 20 °C dentro de un calorímetro ideal (sin pérdidas). La temperatura final de equilibrio es 30 °C. Considera el calor específico del agua $1.0\ \text{cal/(g·°C)}$.
- a) Calcula el calor ganado por el agua.
- b) Determina el calor específico del metal.
- c) Argumenta por qué, si el metal tuviera un calor específico mayor, la temperatura final sería mayor.
Masa y energía: la ecuación de Einstein
En una reacción química, la masa total se conserva casi exactamente. En una reacción nuclear, en cambio, una pequeña parte de la masa se convierte en energía, y la cantidad es enorme. Albert Einstein la expresó así:
Porqué: $c^2$ es un número gigantesco ($9.0\times10^{16}$), así que incluso una masa diminuta equivale a muchísima energía. Por eso 1 g de masa convertida libera lo que arde en miles de toneladas de combustible.
¿Y la combustión?
En la combustión (fenómeno químico) se libera energía por el reordenamiento de enlaces: la pérdida de masa existe pero es imperceptible. En la fisión o fusión (nucleares) cambia el núcleo y la masa perdida es medible. Por eso, por gramo, la energía nuclear es millones de veces mayor que la química.
Escribe la ecuación de Einstein que relaciona la energía con la masa, indica qué representa cada símbolo y menciona la unidad del SI que corresponde a cada uno.
Escribe la ecuación de Einstein que relaciona la energía con la masa, indica qué representa cada símbolo y menciona la unidad del SI que corresponde a cada uno.
En una central nuclear, la fisión de una muestra de uranio transforma $2.0\ \text{g}$ de masa en energía. Usando $c = 3.0\times10^{8}\ \text{m/s}$, calcula la energía…
En una central nuclear, la fisión de una muestra de uranio transforma $2.0\ \text{g}$ de masa en energía. Usando $c = 3.0\times10^{8}\ \text{m/s}$, calcula la energía liberada en joules. Expresa tu resultado en notación científica.
Una estación eléctrica transforma en energía $5.0\ \text{mg}$ de masa mediante una reacción nuclear. Usa $c = 3.0\times10^{8}\ \text{m/s}$. a) Calcula la energía…
Una estación eléctrica transforma en energía $5.0\ \text{mg}$ de masa mediante una reacción nuclear. Usa $c = 3.0\times10^{8}\ \text{m/s}$.
- a) Calcula la energía liberada en joules.
- b) Si un foco de 100 W consume energía a ese ritmo, calcula durante cuántos años podría mantenerse encendido con esa energía (considera 1 año $=3.15\times10^{7}$ s).
- c) Compara este fenómeno con la combustión de un combustible, indicando por qué la energía por unidad de masa es tan diferente y a qué tipo de fenómeno corresponde cada uno.
Resumen
Vuelve al principio: el glaciar que se derrite es un cambio físico, el gas de Camisea al arder es químico y el uranio del reactor es nuclear. Calentar agua exige $Q = m \cdot C_e \cdot \Delta T$, y el reactor obtiene su energía de la masa, según $E = mc^2$.