Rodrigo Ricardo

Cálculo del cambio en la energía térmica: fórmula y ejemplos

Publicado el 7 septiembre, 2020

¿Qué es el calor?

¿Un objeto tiene que estar caliente para tener calor? Un físico diría que no. Los cubitos de hielo e incluso el nitrógeno líquido pueden contener calor. El calor es la medida de la energía térmica que se transfiere de un objeto a otro. Se designa con la variable q . Como q es una medida de energía, usamos unidades de energía para este valor. Las unidades de energía más comúnmente utilizadas son las calorías y los julios.

Energía térmica

Si el calor es la transferencia de energía térmica, ¿qué es la energía térmica? La energía térmica es la energía cinética de los átomos o moléculas que componen una sustancia. Estos átomos y moléculas se mueven girando, vibrando y, en el caso de líquidos y gases, incluso traduciéndose. La energía del movimiento, en general, es energía cinética. Cuando pequeñas partículas, átomos y moléculas realizan esta energía cinética, o movimiento, lo llamamos energía térmica.

Escala de temperatura Kelvin

La palabra “energía térmica” probablemente le suene mucho a la palabra “termómetro”. Si es así, ¡bien! La temperatura de una sustancia, medida con un termómetro, es en realidad la energía térmica media de los átomos o moléculas de una sustancia. Por eso la escala de temperatura Kelvin es tan útil. A 0 Kelvin, no hay energía cinética ni movimiento de los átomos en una sustancia. En la escala de temperatura Kelvin , a medida que la temperatura sube desde cero, el movimiento aumenta y la energía térmica aumenta. Las temperaturas se pueden convertir fácilmente de Celsius a Kelvin usando esta relación.

conversión de temperatura C a K

Capacidad calorífica específica

A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía térmica de la sustancia. Lo opuesto también es cierto. A medida que la temperatura disminuye, la energía térmica de una sustancia disminuye. El calor transferido, q , se puede calcular como:

calor = m Cp deltaT

En esta ecuación, C p es la capacidad calorífica específica de una sustancia, m es la masa y ΔT es el cambio de temperatura. Siempre calcule el cambio de temperatura restando la temperatura inicial de la temperatura final, T f – T i . Si el calor se transfiere a la sustancia, la energía térmica de la sustancia aumentará y, por tanto, q será positivo. Si se transfiere calor fuera del sistema, la energía térmica de la sustancia disminuirá y q será negativa.

La capacidad calorífica específica es una constante que especifica cuánta energía se debe poner en un gramo de una sustancia para elevar su temperatura en un grado Celsius. También se puede pensar que esto aumenta un grado Kelvin porque el tamaño de un grado en ambas escalas es equivalente. Esta constante se puede medir o encontrar en libros de referencia para cada fase de cada sustancia. Es bueno notar que diferentes fases de la misma sustancia tienen diferentes capacidades caloríficas. Por ejemplo, la capacidad calorífica específica del hielo difiere de la capacidad calorífica específica del agua líquida.

Esta tabla muestra las capacidades caloríficas específicas de algunas sustancias comunes.

Sustancia Capacidad calorífica específica (J / kg ° C)
gas nitrógeno) 1040
oxígeno (gas) 918
agua (gas) 3985
alcohol etílico (líquido) 2440
agua (líquido) 4182
vidrio (Pyrex, sólido) 753
oro (sólido) 129
hierro (sólido) 449
agua (sólida) 2093

Tenga en cuenta que cuando se utilizan capacidades caloríficas específicas en los cálculos, la sustancia debe permanecer en la misma fase. Las transiciones de fase hacen que se transfiera calor, pero se calculan de manera diferente.

Cálculos de muestra

Veamos algunos ejemplos.

Ejemplo 1

Un anillo de oro de 5,0 gramos está tumbado al sol. El anillo absorbe 20 J de energía térmica. Suponiendo que el anillo comienza a una temperatura de 30 ° C, ¿cuál será la temperatura final del anillo después de absorber esta energía?

Primero, inserte todos los valores conocidos en la ecuación. Dado que la capacidad calorífica específica está en unidades de julios por kilogramo por grado Celsius, también necesitaremos convertir nuestra masa de 5.0 gramos a kilogramos. La capacidad calorífica específica del oro se enumera en la tabla.

Cambio en la energía térmica del oro.

Simplificando, podemos resolver la temperatura final,

Encontrar la temperatura final del oro

Ejemplo 2

Un gramo de una sustancia desconocida pierde 11,2 J de energía térmica cuando se enfría de 90 ° C a 65 ° C. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica de la sustancia desconocida?

Primero, aislaremos algebraicamente C, el calor específico de la cantidad desconocida.

Resolviendo por calor específico

Conectaremos nuestros valores conocidos, recordando convertir nuestra masa de un gramo a kilogramos.

Cp = 449

Según la tabla, ahora sabemos que la sustancia debe ser hierro.

Resumen de la lección

Revisemos. El calor, q , es una medida de la energía térmica que se transfiere hacia y desde una sustancia. Las unidades de energía más comúnmente utilizadas son las calorías y los julios. La energía térmica es el movimiento cinético de los átomos o moléculas de la sustancia. La temperatura de la sustancia es la energía térmica media. En la escala de temperatura Kelvin , cero Kelvin es el punto en el que todo movimiento se detiene y la sustancia no tiene calor ni energía térmica. Capacidad calorífica específicaes una constante que especifica cuánta energía se debe poner en un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius. El calor se puede calcular para una fase de una sustancia que está cambiando de temperatura usando esta ecuación:

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