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).
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 $\mathrm{cal/(g\cdot °C)}$.
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.
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?
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.
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 $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
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.
- a) Calculá el calor que cede.
- b) Interpretá el signo del resultado si usás $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$.
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).
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.
- a) Calculá el calor que absorbe el aceite.
- b) Calculá la capacidad calorífica de esa masa de aceite, sabiendo que $C = m \cdot c$.
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.
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.
- a) Predecí la temperatura de equilibrio sin hacer cuentas largas y explicá por qué.
- b) Verificá tu predicción planteando que el calor cedido es igual al calor absorbido.
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 $c_{cobre} = 0{,}093\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}$.
- a) Planteá la ecuación de equilibrio térmico y calculá la temperatura final.
- b) Explicá por qué la temperatura final queda mucho más cerca de la inicial del agua que de la del cobre.
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.
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.
- a) Calculá el calor específico de cada material.
- b) ¿Cuál de los dos sería mejor para fabricar una olla que tarde más en calentarse? Argumentá.
- 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.
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.