Volver a la portadaQuímica · preuniversitario · Cambiar asignatura
Empezar gratis
La Pre · Química
Transformaciones químicas · Termodinámica química

Energía, calor y trabajo

Pon agua en la olla para el té: entra energía en forma de calor y nada se mueve. Ahora piensa en el gas de un balón de GLP empujando un pistón: cede energía sin que "salga calor" de ningún lado. Calor y trabajo son dos caminos distintos para cambiar la energía de un sistema, y el primer principio de la termodinámica dice que, sumados, dan siempre la misma variación de energía interna, sea cual sea el camino. Al final de la página volvemos a esta idea.

Energía interna, calor y trabajo

Si te frotas las manos en una madrugada fría en Huancayo, se calientan sin acercarlas a ninguna estufa: transformaste trabajo mecánico en agitación de partículas. ¿Cómo cuantificamos la energía acumulada en un cuerpo y cómo cambia al recibir calor o trabajo?

Flujos de energía entre el sistema y su entorno según el criterio de signos de la IUPAC para calor y trabajo SISTEMA ΔU q > 0 w < 0 w > 0 q < 0 entra sale

Para cuantificar el calor, en el laboratorio se usa el calor específico $c$: la energía necesaria para subir $1\,\text{K}$ la temperatura de $1\,\text{g}$ de sustancia. Entonces, si no hay cambio de estado, $$q = m\cdot c\cdot \Delta T$$ con $\Delta T = T_{\text{final}} - T_{\text{inicial}}$. Si $\Delta T>0$, $q>0$: el cuerpo absorbe calor.

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 $c = 0.897\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$ y suponiendo despreciables las pérdidas térmicas con el entorno:

  1. a) Calcula la cantidad de calor absorbida por el bloque metálico expresada en julios y en kilojulios.
  2. b) Justifica 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 calientas el aire atrapado en una jeringa con el émbolo libre, el émbolo se desplaza hacia afuera empujando la atmósfera. ¿Cuánta energía transfiere ese gas al expandirse contra el aire exterior?

Cilindro con émbolo que se desplaza: expansión de un gas desde un volumen inicial a uno final contra una presión exterior constante P ext V₁ V₂ gas
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 $c = 0.897\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$ y suponiendo despreciables las pérdidas térmicas con el entorno:

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

El primer principio: ΔU = q + w

Energía interna de un gas ideal monoatómico

Para calcular $\Delta U$ de un gas ideal necesitas dos relaciones. La primera es la ecuación de estado, $PV = nRT$, con $R = 8.314\,\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ (con $P$ en Pa y $V$ en $\text{m}^3$).

Balance energético: calor más trabajo es igual a la variación de energía interna q + w = ΔU calor + trabajo = variación de energía interna
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 $c_{\text{agua}} = 4,184\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$. Supón que no existen pérdidas de calor al exterior.

  1. a) Plantea el balance de calorimetría y determina el calor específico del metal expresado en $\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$.
  2. b) Si durante el ensayo se hubiese producido una pequeña pérdida de calor hacia el entorno exterior, razona si el valor experimental obtenido para el calor específico del metal resultaría mayor o menor que el real.
Resolver

Calorimetría: medir el calor con un termómetro

Metes una tuerca recién sacada del agua hirviendo en un vaso con agua a temperatura ambiente: el agua se templa y el metal se enfría hasta igualar temperaturas. ¿Cómo medimos el calor transferido conociendo solo masas y temperaturas? Es una técnica experimental básica de la práctica de laboratorio del colegio.

Una nota sobre el uso de la energía: el calor que se intercambia en estos procesos es el mismo que está detrás de calentar agua con el balón de GLP, leña o la electricidad de casa. Cuantificarlo permite comparar cuánta energía usamos y valorar si un procedimiento es eficiente y sostenible.

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 $c_{\text{agua}} = 4,184\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$. Supón que no existen pérdidas de calor al exterior.

  1. a) Plantea el balance de calorimetría y determina el calor específico del metal expresado en $\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$.
  2. b) Si durante el ensayo se hubiese producido una pequeña pérdida de calor hacia el entorno exterior, razona si el valor experimental obtenido para el calor específico del metal resultaría mayor o menor que el real.
Resolver

Resumen

Volviendo al principio: calentar agua (calor) y empujar un pistón (trabajo) son caminos distintos, pero lo que importa para el sistema es la suma $q + w$.

¡A practicar! 0 ejercicios de nivel difícil en este apartado
Ver todos los ejercicios de este apartado