Calor específico y calorimetría
A mediodía, en una playa de Los Roques, la arena quema los pies y el agua del mar está fresca. Las dos reciben el mismo sol durante las mismas horas. ¿Por qué una se calienta tanto más que la otra? Al final de la página lo sabrás explicar con números.
Calor y temperatura no son lo mismo
Las partículas de cualquier cuerpo se mueven y vibran sin parar. La suma de toda esa energía de movimiento es la energía térmica del cuerpo. La temperatura mide qué tan agitadas están esas partículas en promedio.
El calor es otra cosa: es la energía térmica que se transfiere de un cuerpo a otro cuando hay una diferencia de temperatura entre ellos. Un cuerpo no «tiene calor»: tiene energía térmica y temperatura. El calor es la energía que pasa de uno a otro.
El sentido es siempre el mismo: del cuerpo caliente al frío, hasta que ambos tienen la misma temperatura. Entonces están en equilibrio térmico y el intercambio se detiene.
Valentina escribe que, cuando un cuerpo caliente se pone en contacto con uno frío, «el frío le pasa su temperatura al caliente». Corrige esta afirmación indicando qué se…
Valentina escribe que, cuando un cuerpo caliente se pone en contacto con uno frío, «el frío le pasa su temperatura al caliente». Corrige esta afirmación indicando qué se transfiere realmente, en qué sentido y cuándo se detiene el intercambio.
Calor específico: cada material se calienta a su manera
Si pones al fuego una olla con agua y una sartén de hierro de la misma masa, la sartén sube de temperatura mucho más rápido. Con la misma energía recibida, no todos los materiales cambian igual de temperatura. Medimos esa diferencia con una propiedad de cada sustancia.
Un $c$ alto significa que hace falta mucha energía para calentarlo un poco: se calienta con dificultad (y también se enfría despacio). Un $c$ bajo significa que se calienta con facilidad.
| Sustancia | $c$ en $\text{J/(kg·K)}$ |
|---|---|
| Agua líquida | 4.186 |
| Aceite de cocina (aprox.) | 2.000 |
| Aluminio | 900 |
| Hierro | 450 |
| Cobre | 390 |
Esto responde al gancho: el agua tiene un $c$ muy alto, así que la misma energía del sol la calienta poco. La arena (y las rocas) tiene un $c$ varias veces menor y se calienta mucho. Además, el agua se mezcla y reparte la energía por el mar.
Una nota sobre unidades: un cambio de $1\ ^\circ\text{C}$ es igual a un cambio de $1\ \text{K}$. Por eso $\Delta T$ se puede calcular directamente en grados Celsius, sin pasar a kelvin.
Explica con tus palabras qué representa el calor específico de una sustancia y escribe en qué unidades del Sistema Internacional se expresa. Indica también si un…
Explica con tus palabras qué representa el calor específico de una sustancia y escribe en qué unidades del Sistema Internacional se expresa. Indica también si un material con calor específico alto se calienta con facilidad o con dificultad.
En el laboratorio del liceo se miden los calores recibidos por tres muestras de igual masa, $100\ \text{g}$, cuando su temperatura sube $10\ ^\circ\text{C}$: | Muestra |…
En el laboratorio del liceo se miden los calores recibidos por tres muestras de igual masa, $100\ \text{g}$, cuando su temperatura sube $10\ ^\circ\text{C}$:
| Muestra | Calor recibido (J) |
|---|---|
| A | 1.300 |
| B | 4.200 |
| C | 900 |
Calcula el calor específico de cada muestra y ordénalas de la que se calienta con más facilidad a la que se calienta con más dificultad, al recibir la misma cantidad de calor.
Calcular el calor: $Q = m\cdot c\cdot\Delta T$
Por la definición de $c$: para $1\ \text{kg}$ y $1\ \text{K}$ hacen falta $c$ julios. Para $m$ kilogramos hacen falta $m$ veces más, y para $\Delta T$ grados, $\Delta T$ veces más. Resulta:
Una olla contiene $2{,}0\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$. Se calienta hasta $70\ ^\circ\text{C}$. Calcula el calor absorbido por el agua, tomando…
Una olla contiene $2{,}0\ \text{kg}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$. Se calienta hasta $70\ ^\circ\text{C}$. Calcula el calor absorbido por el agua, tomando $c = 4.186\ \text{J/(kg·K)}$.
Un trozo de aluminio de $500\ \text{g}$ se enfría desde $90\ ^\circ\text{C}$ hasta $30\ ^\circ\text{C}$. El calor específico del aluminio es $900\ \text{J/(kg·K)}$.…
Un trozo de aluminio de $500\ \text{g}$ se enfría desde $90\ ^\circ\text{C}$ hasta $30\ ^\circ\text{C}$. El calor específico del aluminio es $900\ \text{J/(kg·K)}$. Calcula el calor cedido por el trozo, expresa el resultado en julios y en kilojulios, e indica el signo de $Q$ según se considere el calor que gana o pierde el aluminio.
¿Cómo viaja el calor?
El calor pasa de un cuerpo a otro de tres maneras.
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Conducción: el calor pasa de partícula a partícula por contacto. Es el mecanismo típico de los sólidos: el mango metálico de una olla se calienta aunque solo el fondo esté sobre la hornilla.
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Convección: en líquidos y gases, la parte caliente se vuelve menos densa y sube, y la fría baja. Se forman corrientes que reparten la energía, como cuando hierve el agua para la pasta.
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Radiación: la energía viaja en forma de ondas, incluso por el vacío. Así llega el calor del Sol a la Tierra o el de una brasa a tus manos.
Calorimetría: mezclar y llegar al equilibrio
La calorimetría mide el calor que se intercambia. El instrumento es el calorímetro, un recipiente aislado que evita pérdidas hacia el ambiente. En un calorímetro ideal, el calor que sale de un cuerpo lo absorbe el otro: la energía se conserva.
Procedimiento: escribe $Q = m\,c\,(T_f - T_i)$ para cada cuerpo, súmalos, iguala a cero y despeja la incógnita.
Observa que el metal cambia $75\ ^\circ\text{C}$ y el agua solo $5\ ^\circ\text{C}$, aunque ambos intercambian el mismo calor: el agua tiene mucha más masa y un $c$ mucho mayor, así que "reparte" esa energía con un cambio pequeño de temperatura.
Santiago mezcla $300\ \text{g}$ de agua a $80\ ^\circ\text{C}$ con $200\ \text{g}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ en un recipiente aislado, de modo que no se pierde…
Santiago mezcla $300\ \text{g}$ de agua a $80\ ^\circ\text{C}$ con $200\ \text{g}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$ en un recipiente aislado, de modo que no se pierde calor hacia el exterior. Calcula la temperatura de equilibrio de la mezcla y explica qué principio de conservación usaste.
En un calorímetro ideal se introduce una pieza metálica de $250\ \text{g}$ a $100\ ^\circ\text{C}$ en $400\ \text{g}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$. La temperatura…
En un calorímetro ideal se introduce una pieza metálica de $250\ \text{g}$ a $100\ ^\circ\text{C}$ en $400\ \text{g}$ de agua a $20\ ^\circ\text{C}$. La temperatura final de equilibrio es $24\ ^\circ\text{C}$. Con $c_{\text{agua}} = 4.186\ \text{J/(kg·K)}$, determina el calor específico del metal y analiza si el resultado es razonable comparándolo con el del agua. Justifica por qué el metal sufre un cambio de temperatura mucho mayor que el del agua.
Daniela quiere enfriar $1{,}5\ \text{kg}$ de jugo de parchita, que se encuentra a $25\ ^\circ\text{C}$, agregándole hielo ya fundido, es decir, agua líquida a…
Daniela quiere enfriar $1{,}5\ \text{kg}$ de jugo de parchita, que se encuentra a $25\ ^\circ\text{C}$, agregándole hielo ya fundido, es decir, agua líquida a $0\ ^\circ\text{C}$. Considera que el jugo tiene el calor específico del agua y que no hay pérdidas al ambiente. Calcula qué masa de agua a $0\ ^\circ\text{C}$ debe añadir para que la mezcla quede a $15\ ^\circ\text{C}$. Después explica qué ocurriría con la temperatura final si, en lugar de agua fría, usara hielo sólido a $0\ ^\circ\text{C}$ en la misma masa, y por qué.