Uso de propiedades termodinámicas para resolver problemas

Energía y Agua

¿Alguna vez te has sentado a esperar a que hierva una olla de agua? Parece que el agua se calienta muy rápido, pero luego tarda una eternidad en hervir. Este fenómeno incluso tiene un dicho relacionado: “Una olla vigilada nunca hierve”. Pero en realidad existe una razón científica para este fenómeno, y está relacionado con las propiedades termodinámicas del agua.

Las propiedades termodinámicas pueden decirnos mucho sobre un material. Veamos las propiedades termodinámicas del agua.

Calor especifico

El calor específico , también llamado capacidad calorífica específica, se refiere a la cantidad de energía (o calor) que se necesita para elevar la temperatura de un compuesto en 1 grado Celsius.

El calor específico del agua es 4.184 J / g. Entonces, ¿cuánta energía se necesitaría para calentar 100 g de agua de 25 o C a 75 o C?

Primero, multiplicamos los gramos de agua por el calor específico del agua para encontrar la energía necesaria para aumentar la temperatura del agua en 1 grado Celsius:

Entonces, 418.4 J para calentar 100 gramos de agua 1 grado Celsius. Pero no queríamos saber cuánta energía se necesitaría para calentarlo 1 grado, queremos saber cuánto se necesitaría para calentarlo 50 grados (75-25 = 50). Necesitamos multiplicar esta respuesta por 50 para obtener nuestra respuesta final:

418,4 J * 50 = 20,920 J

Se necesitan 20.920 J para calentar 100 g de agua de 25 o C a 75 o C.

Calor de fusión

El calor de fusión es la cantidad de energía (o calor) que se necesita para cambiar una sustancia de un sólido a un líquido. A menudo hablamos del punto de fusión de una sustancia. Por ejemplo, el punto de fusión del agua es de 0 o C. Pero el hecho de que hayamos puesto suficiente energía para calentar el agua sólida (hielo) hasta su punto de fusión no significa que se derretirá inmediatamente. Una vez que está en este punto, se necesita energía extra para romper los enlaces. Esta energía no se destina a calentar aún más la sustancia, sino que se utiliza para romper los enlaces, cambiándola de sólido a líquido.

El calor de fusión del agua es 334 J / mol. Entonces, digamos que hemos calentado 100 g de hielo de -25 o C a 0 o C. ¿Cuánta energía más necesitaremos poner para que este hielo se derrita realmente? Primero, convierta 100 g en moles:

Ahora usemos los 5,5 moles de agua para determinar la energía necesaria para derretir el hielo:

Entonces, necesitamos poner 1837 J adicionales de energía para derretir el hielo.

Calor de vaporización

El calor de vaporización es muy similar al calor de fusión, excepto que se refiere a la energía requerida para cambiar una sustancia de un líquido a un gas una vez en el punto de ebullición. El calor de vaporización del agua es de 40,65 kJ / mol. Hasta ahora nuestras unidades han estado en julios, mientras que esta está en kilojulios, por lo que ya podemos ver que va a requerir mucha más energía.

Si quisiéramos convertir 100 g de agua líquida en gas, ¿cuánta energía requeriría? Ya hemos determinado que 100 g = 5,5 moles, así que ahora determinemos cuánta energía se requerirá.

Necesitamos 223.58 kJ de energía para convertir 100 g de agua en vapor. Recuerde que se necesitaron 20,920 J (20,92 kJ) de energía para calentar los mismos 100 g de agua a 50 grados. En otras palabras, se necesita 10 veces más energía para convertir el agua en vapor que para calentar el agua 50 grados. Por eso, la olla vigilada nunca hierve.

Conductividad térmica

La conductividad térmica nos dice qué tan bien un material conducirá el calor. En otras palabras, nos dice qué tan bien un material transferirá calor a través de él. La conductividad térmica cambiará según el estado de un material. Por ejemplo, la conductividad térmica del agua es 0.6 W / m * K (Watts por metro por Kelvin), mientras que la conductividad térmica del hielo es 1.6 W / m * K.

Entonces, digamos que la parte superior de una olla con agua tiene una temperatura de 25 o C mientras que la parte inferior de la olla tiene una temperatura de 95 o C.La distancia desde la parte superior hasta el fondo del agua en la olla es de 0.25 m. , y el área de agua es de 0,3 m 2 . ¿Con qué rapidez transferirá el agua el calor del fondo a la parte superior de la olla? La fórmula utilizada para resolver esto es:

Q es la tasa de transferencia, k es la conductividad térmica, A es el área, delta T es el cambio de temperatura y L es la longitud. Entonces, podemos calcular la tasa de transferencia:

La velocidad de transferencia es 50,4 W o 50,4 julios / segundo.

Expansión térmica

La expansión térmica nos dice cuánto cambiará la forma o el volumen de un material a medida que cambia la temperatura. La mayoría de las veces, a medida que aumenta la temperatura, los materiales se expanden. Esto es cierto con el agua, ya que podemos ver que las tuberías de agua estallan cuando se congelan.

De 0 a 4 grados Celsius, en realidad vemos una ligera disminución en el volumen de agua, siendo el agua la más densa a 4 grados Celsius. Después de 4 grados Celsius, el volumen del agua aumenta constantemente a medida que aumenta la temperatura. El hielo es menos denso que el agua líquida y el vapor es más denso que el agua líquida.

Resumen de la lección

Hay varias propiedades termodinámicas que se utilizan para describir materiales como el agua. Éstas incluyen:

• Calor específico : la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de un material en 1 grado Celsius.
• Calor de fusión : la cantidad de energía necesaria para cambiar una sustancia de un sólido a un líquido.
• Calor de vaporización : la cantidad de energía necesaria para cambiar una sustancia de líquido a gas.
• Conductividad térmica : qué tan bien una sustancia transfiere calor a través de ella
• Expansión térmica : cuánto se expande un material cuando se calienta