foto perfil

Calor específico del agua y capacidad calorífica del metal

Publicado el 9 octubre, 2021

Calor específico del agua

Cuando uno hierve agua en un recipiente de metal, se da cuenta de que, si bien el recipiente de metal está demasiado caliente para tocarlo en cuestión de segundos, no ocurre lo mismo con el agua. En cambio, el agua puede estar tibia o incluso más fría en los primeros 30 segundos. Este contraste en la observación se debe a una propiedad llamada capacidad calorífica. La capacidad calorífica, también conocida como capacidad térmica, es una cantidad termodinámica fundamental. Es un valor medible que es una propiedad característica de esa sustancia y puede usarse para acreditar la pureza de las sustancias.

La capacidad calorífica, C, es el calor mínimo que absorbe una sustancia para elevar su temperatura en una unidad, 1 Kelvin o 1 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} Celsius. Según el Sistema Internacional de Unidades (SI), se transmite en joule (J) por kelvin (K). Otras formas derivadas de comunicar este valor son la capacidad calorífica específica y la capacidad calorífica molar. La capacidad calorífica específica (o calor específico), Cs, es el calor mínimo absorbido por 1 gramo de la sustancia para elevar su temperatura en un Kelvin, y la capacidad calorífica molar, Cm, es la capacidad calorífica de 1 mol de una sustancia.

Factores que contribuyen al calor específico

En teoría, la capacidad calorífica de una sustancia es una medida de la capacidad de las moléculas para albergar energía térmica. Cuando se calienta un sistema, sus partículas se mueven más rápido. Estos movimientos son mecánicos y pueden existir como vibración, flexión, rotación y traslación (movimiento de una posición a otra). Los químicos los llaman grados de libertad. Cada movimiento mecánico que muestra un átomo o una molécula complementa la energía térmica total del sistema. Las moléculas poliatómicas tienen mayores grados de libertad debido a los enlaces presentes en ellas y, por lo tanto, tienen mayores calores específicos que sus contrapartes monoatómicas. Otro factor que contribuye a la capacidad calorífica específica es la fuerza de atracción. Los gases tienen fuerzas de atracción insignificantes entre ellos. Como resultado, su capacidad calorífica específica depende únicamente de sus grados de libertad.

Los valores caloríficos específicos de algunas sustancias calculados en condiciones de presión constante se muestran en la siguiente tabla.

Sustancia Fase Grados de libertad Mono, Di o Poliatómico Fuerza intermolecular más fuerte Capacidad calorífica específica, Cs (J / g K)
Argón gas 3 Monoatómico Fuerzas de dispersion 0.314
Aluminio sólido 3 Monoatómico enlaces metálicos 0,879
Gas de cloro gas 6 Diatónico Fuerzas de dispersion 0.383
Metano gas 15 Poliatómico Fuerzas de dispersion 1.712
  • Grados de libertad: la tabla muestra que tanto el argón como el metano existen como gases con fuerzas de dispersión entre las partículas. Pero el metano tiene un calor específico más alto porque la molécula tiene más grados de libertad. Cuando se calientan, los átomos de argón se mueven a lo largo de los ejes x, y y z, lo que les da tres grados de libertad de traslación. Debido a los enlaces en el metano, es capaz de realizar movimientos de rotación y vibración además de los tres movimientos de traslación. Como resultado, el metano requerirá más calor que el argón para un cambio unitario de temperatura.
  • Fuerza de atracción: el argón y el aluminio son elementos monoatómicos con los mismos grados de libertad, pero el aluminio tiene una mayor capacidad calorífica específica. Debido a que los átomos de aluminio se mantienen unidos por fuerzas metálicas fuertes que los átomos de argón, que se mantienen unidos por fuerzas de dispersión más débiles, las partículas absorben un poco más de energía térmica antes de separarse y moverse.

La siguiente sección explica la distinción entre las capacidades caloríficas específicas del agua en diferentes fases.

Capacidad calorífica del agua

La capacidad calorífica específica del agua es diferente en diferentes fases. Tenga en cuenta los valores de la tabla siguiente.

Sustancia Fase Capacidad calorífica específica, Cs (J / g K)
Agua sólido 2.100
líquido 4.196
gas 2.030

Cuando el agua se congela, sus enlaces de hidrógeno se orientan de una manera específica y las partículas se bloquean. Todo el calor suministrado a este sistema contribuye a la ruptura de esta sólida estructura. Debido a que la transformación ocurre rápidamente, solo se requieren 2.100 julios para elevar la temperatura de un gramo de hielo. Sin embargo, con agua, las partículas pueden moverse y el calor suministrado al sistema acelera este movimiento y, finalmente, rompe los enlaces de hidrógeno entre las partículas. Además, debido a que el agua tiene una superficie mayor que el hielo, se requiere más calor. Como resultado, el agua en este estado absorberá 4,196 julios antes de que se detecte un cambio de temperatura en la unidad. Finalmente, hay fuerzas de atracción insignificantes entre las partículas en el vapor, y todo el calor suministrado da como resultado un movimiento de traslación más rápido de las partículas de agua.

Los beneficios de una alta capacidad calorífica

El agua tiene una alta capacidad calorífica, lo que beneficia tanto a los organismos como a su entorno. El agua constituye una parte importante del cuerpo de un organismo. Esto se utiliza para la termorregulación de su sistema, y ​​confían en el alto valor para evitar grandes fluctuaciones en la temperatura corporal. Asimismo, la temperatura del ambiente hace uso de esta propiedad. Todos los cuerpos de agua absorben el calor de su entorno y ayudan a mantener estable la temperatura del planeta. Como resultado, la alta capacidad calorífica del agua es beneficiosa para la vida terrestre porque previene variaciones extremas de temperatura en el medio ambiente y dentro de los organismos.

Capacidad calorífica de los metales

La capacidad calorífica de un metal puede absorber energía térmica antes de que se observe un cambio de temperatura de una unidad. Los metales tienen valores de capacidad calorífica bajos en comparación con el agua. La diferencia significativa se puede atribuir a la diferencia mencionada anteriormente en los grados de libertad demostrados por las partículas. Los átomos de metal tienen menos grados de libertad que las moléculas de agua y, como resultado, requieren valores de energía térmica más bajos para un cambio unitario de temperatura.

La siguiente tabla menciona las capacidades caloríficas específicas de algunos metales comunes; el agua se incluye como referencia.

Sustancia Capacidad calorífica específica, Cs (J / g K)
Agua (l) 4.196
Cobre (s) 0.382
Hierro (s) 0,446
Aluminio (s) 0,879
Estaño (s) 0,220

En este caso, la capacidad calorífica específica del aluminio es aproximadamente el doble que la del hierro y el triple que la del estaño. Esto significa que si se aplica la misma cantidad de calor a 1 gramo de cada metal, la temperatura del estaño aumentará tres veces más rápido que la del aluminio y la temperatura del hierro aumentará dos veces más rápido que la del aluminio.

Cuando el calor sale de un sistema, es decir, cuando se enfría, se aplican valores de calor específicos. Por ejemplo, cuando 1 g de estaño se enfría de 45 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C a 44 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C, se liberan 0,220 julios de energía. Entonces, para un gramo de una sustancia, la capacidad calorífica específica es la cantidad de calor (q) transferida dentro o fuera de un sistema para un cambio de temperatura (T) dado. Se da matemáticamente como; {eq} C _s = q / m \ Delta T {/ eq} y se puede expresar como {eq} J / g \: K \; \ text {o} \; J / g ^ {\ circ} C {/ eq}

Cálculo de la capacidad calorífica específica

Considere el problema de calcular el calor específico de 588 gramos de hierro. El metal se calienta a 97,5 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} Celsius antes de sumergirlo en 247 gramos de agua a 20,7 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} Celsius. Como resultado, la temperatura tanto del hierro como del agua en equilibrio térmico es 36.2 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C.

Se puede deducir de este problema de muestra que el cambio en la temperatura del agua, {eq} \ Delta T {/ eq} agua, es 15.5 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C (36.2 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C – 20,7 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C), el cambio en la temperatura del hierro, {eq} \ Delta T {/ eq} metal, es 61,3 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C (97.5 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C – 36.2 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C), y el calor ganado por el agua (q agua) corresponde al calor perdido por el metal (q metal).

Al equiparar estos valores, se puede obtener el valor del calor específico del hierro.

masa de agua * Cs de agua * {eq} \ Delta T {/ eq} de agua = masa de metal * Cs de metal * {eq} \ Delta T {/ eq} de metal

247 g * 4,18 J / g {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C * 15,5 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C = 588 g * Cs de metal * 61,3 {eq} ^ {\ circ} {/ eq} C

Después de ajustar el valor desconocido, el resultado es Cs de metal; 0,444 J / g {eq} ^ {\ circ} C {/ eq}

Laboratorio de calor específico del metal

El calor específico de una sustancia es una medida cuantitativa y se puede estimar en el laboratorio utilizando los siguientes materiales:

Pieza de metal de elección (el aluminio es una buena opción para esta demostración debido a su alto valor calorífico específico), balanza de pesaje, dos vasos de precipitados grandes, termómetros, fuente de calor (una placa calefactora o un mechero Bunsen), dos vasos de espuma de poliestireno, cilindro graduado, agua y pinzas.

El procedimiento

Comience creando un baño de agua en uno de los vasos de precipitados grandes y armando un calorímetro colocando dos tazas de espuma de poliestireno en el otro vaso de precipitados grande. Vierta 50 mL de agua en los vasos de poliestireno usando un cilindro graduado y registre la temperatura inicial (q-inicial) de esta agua. Después de eso, tome la pieza de metal, pésela (m) y colóquela en un baño de agua con agua hirviendo durante 10-12 minutos. Esto permitirá que el metal se caliente a 100 {eq} ^ {\ circ} C {/ eq}. Una vez que el metal se haya calentado, use las pinzas para transferirlo del baño de agua al calorímetro de espuma de poliestireno.

Cálculos y análisis

Los valores registrados ahora se pueden usar para calcular la capacidad calorífica específica del metal usando la fórmula

{eq} Cs _ {(metal)} = q _ {(calor perdido por el metal)} / m _ {(masa del metal)} * \ Delta T {(metal)} {/ eq}

Para este experimento, se asume que todo el calor perdido por el metal es absorbido por el agua, lo que implica que no hay pérdida de calor en el entorno circundante. De manera similar, se supone que el metal tiene exactamente 100 {eq} ^ {\ circ} C {/ eq} cuando se coloca en el calorímetro y que su temperatura final es la misma que la del agua en el calorímetro.

Si se siguen estos supuestos y se introducen los valores como en la sección anterior, se obtiene la capacidad calorífica específica del metal.

{eq} q _ {(agua)} = q _ {(metal)} \\ \\ m _ {(agua)} * Cs _ {(agua)} * \ Delta T _ {(agua)} = m _ {(agua)} * Cs _ {(metal)} * \ Delta T _ {(metal)} \\ \\ Cs _ {(metal)} = (m _ {(agua)} * Cs _ {(agua) } * \ Delta T _ {(agua)}) \; / \; m _ {(metal)} * \ Delta T _ {(metal)} {/ eq}

Debido a que los metales tienen una capacidad calorífica mucho menor que el agua, el valor calculado no puede ser mayor que 4,18 J / g {eq} ^ {\ circ} C {/ eq}.

Resumen de la lección

El calor mínimo absorbido por una sustancia antes de que se observe un cambio unitario en su temperatura, lo que se conoce como su capacidad calorífica. Cuando este valor es para un gramo de la sustancia, se denomina capacidad calorífica específica, y para un mol de la sustancia, capacidad calorífica molar. Por ejemplo, el agua tiene un calor específico alto, lo que le permite mantener la vida en la Tierra mediante termorregulación. Los metales, por otro lado, requieren menos energía térmica para calentarse y son buenos conductores de calor. Los valores de la capacidad calorífica específica están relacionados con los grados de libertad y las fuerzas de atracción entre las partículas de la sustancia. Los calorímetros se pueden utilizar en el laboratorio para estimar los valores de capacidad calorífica.

Articulos relacionados