Cambios en los diagramas de calor y energía

Cambios en el calor y la energía

¿Ha pensado alguna vez en el hielo como agua sólida? ¿Sabías que el vapor también es agua? El agua, al igual que otras materias, puede existir en tres estados o fases , y los llamamos sólido, líquido y gaseoso. A medida que se calienta el hielo, su temperatura aumenta y se derrite en agua líquida. Asimismo, a medida que se calienta el agua líquida, se evapora en vapor de agua. Estos cambios de una fase a otra se denominan cambios de fase .

¿Sabías que la temperatura del agua no aumenta cuando hierve? La temperatura del agua aumenta hasta ebullición y luego permanece constante a medida que hierve. Usaremos diagramas que ilustran la relación entre temperatura y calor para explicar cómo funciona esto. Sin embargo, antes de hacer eso, necesitamos describir la relación entre temperatura y calor.

¿Qué es la temperatura?

Analicemos la temperatura primero. Es probable que esté familiarizado con la temperatura, ya que es un tema común de conversación. Expresamos la temperatura en grados Fahrenheit, grados Celsius e incluso Kelvin, que es una escala absoluta. Pero, ¿qué es la temperatura? La temperatura es una medida de qué tan rápido se mueven las moléculas de una sustancia. Cuanto más rápido se mueven las moléculas dentro de la sustancia, mayor es la temperatura. Por ejemplo, las moléculas de agua caliente se mueven más rápido que las moléculas de agua fría.

Las moléculas de agua caliente se mueven más rápido que las moléculas de agua fría y crean más energía.

La temperatura se puede definir como la energía cinética promedio de una sustancia, donde la energía es la capacidad de realizar un trabajo. La energía cinética es energía de movimiento y, por lo tanto, refleja qué tan rápido se mueve un objeto. Cuanto más rápido se mueve el objeto, más energía cinética contiene. Cuanto más rápido se mueven las moléculas que componen una sustancia, mayor es la temperatura de esa sustancia.

¿Qué es el calor?

Ahora, hablemos del calor. A medida que las sustancias se calientan en una estufa, en un microondas o con el sol, se agrega energía a la sustancia. El calor se puede definir como la cantidad total de energía contenida en la sustancia. Donde la temperatura refleja la cantidad promedio de energía cinética, el calor refleja la energía total. Por ejemplo, dos litros de agua hirviendo tienen la misma temperatura que un litro de agua hirviendo. Sin embargo, dos litros contienen más calor, es decir, más energía total.

El calor y la temperatura están relacionados

Ahora, consideremos la relación entre temperatura y calor. A medida que se calientan las sustancias, la temperatura aumenta. En otras palabras, a medida que se agrega energía a una sustancia, las moléculas que la componen se mueven más rápido.

Diagrama de temperatura y calor

Ahora, hagamos un diagrama de los cambios de temperatura en el agua a medida que se aplica calor al agua. Esto nos ayudará a comprender la relación entre calor y temperatura. Si observa el siguiente diagrama, verá la temperatura a lo largo del eje y y la energía térmica a lo largo del eje x. Puede ver que la temperatura aumenta a medida que se agrega calor al agua dentro de una fase. En otras palabras, las moléculas de agua dentro del hielo se mueven más rápido.

Cambios de fase que ocurren cuando se agrega calor al agua.

Sin embargo, la temperatura no cambia cuando se agrega calor durante un cambio de fase; por ejemplo, cuando el hielo se derrite. Durante el cambio de fase, el calor agregado no hace que las moléculas se muevan más rápido, sino que se alejen más. La energía térmica agregada durante el cambio de fase se utiliza para superar algunas de las fuerzas que mantienen unidas las moléculas, lo que les permite alejarse más unas de otras. Durante el cambio de fase, la energía térmica agregada se almacena como energía potencial , o energía de posición, ya que las moléculas ahora están más separadas. Es como colocar una trampa para ratones. La energía potencial se almacena en la trampa del ratón cuando está configurada; en otras palabras, cuando se cambia de posición.

Cuando se aplica calor al hielo, las moléculas se separan en lugar de moverse más rápido.

A medida que se aplica calor al agua líquida, las moléculas se mueven más rápido y la temperatura vuelve a aumentar. Durante el cambio de fase de líquido a gas, el calor añadido se almacena en las moléculas como, una vez más, energía potencial, y la temperatura permanece constante. El calor agregado se usa para vencer las fuerzas restantes que mantienen unidas las moléculas dentro del líquido. Esto permite que las moléculas se separen aún más y formen un gas. Una vez más, la energía térmica durante el cambio de fase se almacena como energía potencial.

Aplicación de la relación entre temperatura y calor

Apliquemos lo que acabamos de aprender sobre la relación entre temperatura y calor a la naturaleza. Los equipos de carretera agregarán sal a la carretera para derretir el hielo. Como acabamos de aprender, agregar calor a una sustancia hace que se derrita, entonces, ¿cómo hace que la sal haga que el hielo sólido se derrita en agua líquida? La respuesta es que la sal reduce el punto de fusión del agua. El punto de fusión del agua pura es de 0 grados Celsius. El agua salada tiene un punto de fusión más bajo y cuanta más sal se agregue, más bajará el punto de fusión. Por lo tanto, la temperatura debe ser más fría para congelar el agua salada. Un error común es que la sal en realidad calienta el hielo y hace que se derrita. La sal no cambia la temperatura del hielo; más bien, la sal reduce el punto de fusión del agua, lo que hace que el hielo sólido se derrita.

Muy bien, entonces, ¿qué efecto tiene la sal en el punto de ebullición del agua? El punto de ebullición del agua pura es de 100 grados Celsius. La sal agregada al agua en realidad eleva el punto de ebullición. En general, es importante recordar que las impurezas, como la sal agregada al agua, cambiarán los puntos de fusión y de ebullición de los compuestos.

Resumen de la lección

En resumen, la temperatura de una sustancia aumenta a medida que se calienta. La temperatura es la energía cinética promedio de la sustancia, donde la energía es la capacidad de realizar un trabajo. El calor es la energía total contenida en una sustancia. A medida que se calienta un sólido, su temperatura aumenta a medida que las moléculas se mueven más rápido. Durante el cambio de fase , cuando el sólido se funde en líquido, su temperatura permanece constante ya que la energía térmica se almacena como energía potencial.. Asimismo, a medida que se agrega calor a un líquido, su temperatura aumenta a medida que las moléculas, una vez más, se mueven más rápido. Cuando el líquido alcanza su punto de ebullición y hierve, la temperatura permanece constante ya que, una vez más, el calor agregado se almacena como energía potencial durante el cambio de fase. Finalmente, las impurezas cambiarán el punto de fusión y el punto de ebullición de los compuestos.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver este video, podrá:

• Diferenciar entre calor y temperatura
• Describe lo que sucede durante un cambio de fase.
• Reconocer que agregar impurezas a los compuestos cambia los puntos de fusión y ebullición.

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