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Sistemas materiales y propiedades de los materiales · Calor específico y cálculo del calor

Calor específico, capacidad calorífica y cálculo del calor

Un sábado de invierno, Valentina pone a calentar una olla de agua para el mate y, al lado, una plancha de hierro sobre la misma hornalla. La plancha quema en un minuto; el agua apenas está tibia. ¿Por qué la misma llama calienta tan distinto a dos cosas? Al final de la página vas a poder contestarlo con números.

Calor y temperatura: de qué depende

Para subir la temperatura de un cuerpo hay que transferirle energía en forma de calor, que se mide en calorías (cal) o en julios (J). Cuánto calor hace falta depende de tres cosas:

  • La masa: calentar 2 L de agua cuesta el doble que calentar 1 L.

  • Cuánto querés subir la temperatura: pasar de 20 °C a 60 °C cuesta más que pasar de 20 °C a 30 °C.

  • La sustancia de la que está hecho el cuerpo: el agua necesita más calor que el hierro para subir lo mismo.

La variación de temperatura es $\Delta T = T_f - T_i$ (temperatura final menos inicial).

Dos recipientes, uno con 100 g y otro con 200 g de agua, reciben la misma llama: el de más masa sube menos su temperatura. 100 g 200 g sube 20 °C sube 10 °C
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Definí con tus palabras qué es el calor específico de una sustancia y escribí su unidad usual en el Sistema Internacional o en calorías, por ejemplo…

Definí con tus palabras qué es el calor específico de una sustancia y escribí su unidad usual en el Sistema Internacional o en calorías, por ejemplo $\mathrm{cal/(g\cdot °C)}$.

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Calor específico

Si probás con distintas sustancias de igual masa y les entregás el mismo calor, cada una cambia su temperatura de forma diferente. Esa característica de cada sustancia se llama calor específico.

Es una propiedad intensiva: no depende de cuánta sustancia tengas, sino de qué sustancia es.

Sustancia c (cal/(g·°C))
Agua 1
Aceite 0,5
Aluminio 0,22
Hierro 0,11
Cobre 0,093

Leé la tabla: el agua tiene un calor específico muy alto. Necesita mucho calor para calentarse y cede mucho al enfriarse. Los metales tienen un c chico: se calientan y se enfrían rápido. Por eso la plancha de hierro de Valentina quema enseguida y el agua no.

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Explicá qué significa que el calor específico del agua sea $1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$ y el del hierro sea aproximadamente $0{,}11\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$. ¿Cuál de…

Explicá qué significa que el calor específico del agua sea $1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$ y el del hierro sea aproximadamente $0{,}11\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$. ¿Cuál de las dos sustancias se calienta más rápido si recibe la misma cantidad de calor por gramo?

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Calcular el calor: Q = m · c · ΔT

Juntando las tres dependencias de la primera sección:

¿Por qué es un producto? Porque el calor es proporcional a la masa y también a la variación de temperatura: el doble de masa o el doble de ΔT piden el doble de calor. El calor específico es la constante de proporcionalidad de cada sustancia.

Signo. Si el cuerpo se calienta, $T_f > T_i$, entonces $\Delta T > 0$ y $Q > 0$: el cuerpo absorbe calor. Si se enfría, $\Delta T < 0$ y $Q < 0$: el cuerpo cede calor.

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El calor específico del agua es $1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$. Calculá cuánto calor hay que entregarle a 200 g de agua para que su temperatura pase de 20 °C a 50 °C. Usá…

El calor específico del agua es $1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$. Calculá cuánto calor hay que entregarle a 200 g de agua para que su temperatura pase de 20 °C a 50 °C. Usá la expresión $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.

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Una pieza de aluminio de 300 g ($c = 0{,}22\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$) se enfría desde 90 °C hasta 30 °C. a) Calculá el calor que cede. b) Interpretá el signo del…

Una pieza de aluminio de 300 g ($c = 0{,}22\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$) se enfría desde 90 °C hasta 30 °C.

  1. a) Calculá el calor que cede.
  2. b) Interpretá el signo del resultado si usás $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$.
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Capacidad calorífica

A veces te interesa un cuerpo entero (esta olla, esta pieza) y no un gramo de sustancia. Para eso se usa la capacidad calorífica.

Con ella, el calor queda $Q = C \cdot \Delta T$. Observá la diferencia: el calor específico $c$ es de la sustancia (intensiva); la capacidad calorífica $C$ es de este cuerpo y depende de su masa (extensiva).

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Mateo calienta 500 g de aceite, de calor específico $0{,}5\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$, desde 25 °C hasta 85 °C. a) Calculá el calor que absorbe el aceite. b) Calculá la…

Mateo calienta 500 g de aceite, de calor específico $0{,}5\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$, desde 25 °C hasta 85 °C.

  1. a) Calculá el calor que absorbe el aceite.
  2. b) Calculá la capacidad calorífica de esa masa de aceite, sabiendo que $C = m \cdot c$.
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Mezclar y llegar al equilibrio

Si ponés en contacto dos cuerpos a distinta temperatura dentro de un recipiente aislado, el más caliente cede calor y el más frío lo absorbe, hasta que los dos quedan a la misma temperatura: el equilibrio térmico. El sistema (los dos cuerpos) no intercambia calor con el entorno, así que:

$$\text{calor cedido} = \text{calor absorbido}$$

Cuidado con los signos: si usás valores absolutos, el calor cedido en valor absoluto es igual al calor absorbido; o bien $Q_1 + Q_2 = 0$ si dejás los signos.

Un cuerpo caliente cede calor a uno frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. caliente frío calor T final entre las dos
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Sofía mezcla 100 g de agua a 80 °C con 100 g de agua a 20 °C en un recipiente aislado. a) Predecí la temperatura de equilibrio sin hacer cuentas largas y explicá por…

Sofía mezcla 100 g de agua a 80 °C con 100 g de agua a 20 °C en un recipiente aislado.

  1. a) Predecí la temperatura de equilibrio sin hacer cuentas largas y explicá por qué.
  2. b) Verificá tu predicción planteando que el calor cedido es igual al calor absorbido.
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Agustín introduce una pieza de cobre de 200 g, a 100 °C, en 400 g de agua a 20 °C dentro de un calorímetro ideal (no intercambia calor con el entorno). Datos:…

Agustín introduce una pieza de cobre de 200 g, a 100 °C, en 400 g de agua a 20 °C dentro de un calorímetro ideal (no intercambia calor con el entorno). Datos: $c_{agua} = 1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$ y $c_{cobre} = 0{,}093\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$.

  1. a) Planteá la ecuación de equilibrio térmico y calculá la temperatura final.
  2. b) Explicá por qué la temperatura final queda mucho más cerca de la inicial del agua que de la del cobre.
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Comparar materiales

Si conocés el calor entregado, la masa y la variación de temperatura, podés despejar el calor específico:

$$c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}$$

Con ese valor se identifican materiales o se elige cuál usar.

Para elegir materiales: una olla que tarde en calentarse conviene con c alto (cuesta más subirle la temperatura). Un material con c alto también cede mucho calor al enfriarse, por eso el agua se usa en las bolsas de agua caliente.

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Florencia y Bruno quieren comparar dos materiales desconocidos, X e Y, de la misma masa (150 g). A ambos les entregan 3.000 cal. La temperatura de X sube 40 °C y la de Y…

Florencia y Bruno quieren comparar dos materiales desconocidos, X e Y, de la misma masa (150 g). A ambos les entregan 3.000 cal. La temperatura de X sube 40 °C y la de Y sube 100 °C.

  1. a) Calculá el calor específico de cada material.
  2. b) ¿Cuál de los dos sería mejor para fabricar una olla que tarde más en calentarse? Argumentá.
  3. c) Si ambos materiales se colocan a la misma temperatura inicial en contacto con agua fría, ¿cuál cederá más calor al enfriarse hasta la misma temperatura final? Justificá.
Resolver

Volvé al principio: la plancha de hierro tiene un calor específico (0,11) casi diez veces menor que el del agua (1). Con la misma llama, a cada gramo de hierro le alcanza poco calor para subir muchos grados, mientras que el agua necesita mucho más calor para subir lo mismo.

Resumen

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