Termodinámica
4.2. Calor específico, calorimetría y transferencia de energía
Introducción
La energía interna y el calor son conceptos fundamentales en la termodinámica, pero es crucial entender la diferencia entre ellos. La energía interna de un sistema se refiere a la energía asociada con sus componentes microscópicos, como átomos y moléculas, excluyendo la energía cinética del movimiento del sistema a través del espacio. Esta energía interna incluye la energía cinética traslacional, rotacional y vibracional de las moléculas, así como la energía potencial asociada con las fuerzas entre átomos y moléculas.
Por otro lado, el calor es la transferencia de energía debido a una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores. Cuando se calienta una sustancia, se le transfiere energía al colocarla en contacto con alrededores más calientes. Es importante distinguir entre calor y energía interna, al igual que entre trabajo y energía mecánica, ya que representan diferentes formas de transferencia de energía y propiedades del sistema.
En cuanto a las unidades de calor, históricamente se utilizaron unidades como la caloría y la unidad térmica británica (Btu). Sin embargo, con el tiempo se adoptó el joule (J) como la unidad estándar para describir procesos térmicos, debido a la correspondencia entre energía y procesos térmicos y mecánicos. Así, tanto el calor como el trabajo y la energía interna se miden comúnmente en Joules en la actualidad.
Calor específico
El calor específico es una propiedad física que describe la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en una unidad de temperatura. En otras palabras, es la capacidad que tiene una sustancia para almacenar calor. Se representa comúnmente con la letra $c$ y se expresa en unidades de energía por masa y temperatura, como Joules por kilogramo grado Celsius $[J/kg^{\circ}C]$. Se define como:
Esta expresión se escribe más comúnmente en la siguiente forma:
- $c$ es el calor específico de una sustancia.
- $Q$ es la cantidad de energía transferida a una sustancia de masa $m$.
- $\Delta T$ es el cambio de temperatura de la sustancia al aplicársele la energía $Q$.
Podemos pensar en el calor específico como la «inercia térmica» de una sustancia. Al igual que un objeto pesado necesita más fuerza para acelerar que uno ligero, una sustancia con un alto calor específico (como el agua) requiere más calor para aumentar su temperatura que una con un bajo calor específico (como los metales).
Ejemplo 1
$200\text{ gr}$ de hierro se encuentran a una temperatura igual a $21^{\circ}C$. Si se le aportan $1000\text{ J}$ de energía, ¿cuánto es la temperatura resultante? Considere que el calor específico del hierro es igual a $448\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$.
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De la ecuación 1 tenemos que:
Reemplazando los valores (recordando pasar $200\text{ gr}$ a $0,2\text{ kg}$), tenemos:
Calorimetría
La calorimetría se ocupa de medir el calor absorbido o liberado durante una reacción química o un cambio físico, así como la determinación de otras propiedades térmicas de sustancias. Esto se logra utilizando dispositivos llamados calorímetros, que están diseñados para aislar el sistema en estudio y medir con precisión los cambios de temperatura que experimenta.
Si el sistema de la muestra de la sustancia y el agua está aislado, el principio de conservación de energía requiere que la cantidad de energía que sale de la muestra (de calor específico desconocido) sea igual a la cantidad de energía que entra al agua.
Utilizando la ecuación 2 en la ecuación 3 tenemos:
El subíndice «a» se refiere al agua (fría), y el subíndice «s» se refiere a la sustancia (caliente).
La variación de temperatura $\Delta T$ es la diferencia entre la temperatura de equilibrio ($T_f$) y la temperatura inicial del agua y sustancia respectivamente. Luego, la expresión queda como:
Despejando $c_s$, tenemos una expresión para obtener el calor específico de la sustancia:
Ejemplo 2
¿Cuál es el calor específico de una sustancia, si al ingresar $0,4\text{ kg}$ de ella con una temperatura igual a $60^{\circ}C$ a un calorímetro con $0,5\text{ kg}$ de agua a $16^{\circ}C$ genera una temperatura de equilibrio igual a $55,3^{\circ}C$? El calor específico del agua es igual a $4186\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$.
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De la ecuación 4 tenemos que:
Mecanismos de transferencia de energía
1. Conducción
Este mecanismo se refiere a la transferencia de energía que se produce a través del contacto directo entre partículas o moléculas. Se observa en sólidos, líquidos y gases, y depende de la conductividad térmica del material involucrado. Un ejemplo clásico de conducción es la transferencia de calor a través de una olla metálica.
2. Convección
La transferencia de energía por convección se caracteriza por estar mediada por el movimiento de fluidos (líquidos o gases). El fluido caliente se expande, disminuyendo su densidad y ascendiendo, mientras que el fluido frío se contrae, aumentando su densidad y descendiendo. Un ejemplo familiar es el movimiento del aire caliente en una habitación.
3. Radiación
Este mecanismo implica la transferencia de energía en forma de ondas electromagnéticas, las cuales no requieren un medio para propagarse. La radiación térmica es emitida por todos los objetos a diferentes temperaturas. El calor que recibimos del Sol es un ejemplo de transferencia de energía por radiación.
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica, también conocida como principio de conservación de la energía, establece que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Matemáticamente, la primera ley se expresa mediante la siguiente ecuación:
- $\Delta E$ es el cambio en la energía interna del sistema.
- $Q$ es la cantidad de calor que entra ($+$) o sale ($-$) del sistema.
- $W$ es el trabajo realizado por el sistema ($+$) o sobre el sistema ($-$).
Aplicaciones de la primera ley
Procesos adiabáticos
No hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno ($Q = 0$).
Procesos isobáricos
La presión se mantiene constante. El trabajo se define como $W = P\Delta V$.
Procesos isovolumétricos
El volumen permanece constante ($\Delta V = 0$), por lo que $W = 0$.
Ejemplo 3: Proceso Isobárico
Se tiene que $1\text{ gr}$ de agua cambia de fase líquida a vapor en un proceso isobárico a presión atmosférica ($P_o = 101325\text{ Pa}$). El volumen en estado líquido es $V_i = 1\text{ cm}^3$ y en estado gaseoso es $V_f = 1671\text{ cm}^3$. ¿Cuánto es el trabajo realizado en la expansión?
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Ya que el proceso es isobárico, la presión es constante. Por lo tanto, tenemos que:
Nota: el trabajo es negativo ya que se realiza sobre el entorno por el sistema.
Reemplazando los valores de volumen en $m^3$ y el valor de presión:
Conclusión
Entender la diferencia entre energía interna y calor es fundamental para comprender cómo se comportan los sistemas en diferentes situaciones. La energía interna se refiere a la energía asociada con las partículas individuales de un sistema, mientras que el calor es la transferencia de energía entre sistemas debido a una diferencia de temperatura.
El calor específico, una propiedad importante de las sustancias, nos permite comprender cómo diferentes materiales responden a la adición o extracción de calor. Esta propiedad tiene implicaciones significativas en una amplia gama de aplicaciones, desde la estabilidad climática proporcionada por el agua hasta los procesos industriales.
La calorimetría es la herramienta que nos permite medir con precisión el calor absorbido o liberado durante una variedad de procesos físicos y químicos, determinando propiedades térmicas con gran precisión.
En resumen, el estudio de calor específico, calorimetría, transferencia de energía y la primera ley de la termodinámica es esencial para comprender cómo funciona el mundo físico que nos rodea y cómo podemos aplicar estos principios en la vida cotidiana y en la ingeniería moderna.
Referencias Bibliográficas
- Serway, R. y Jewett, J. (2008). Física para Ciencias e Ingeniería: Volumen 1. (7a ed.). Cengage Learning Editores S.A. de C.V.
- Giancoli, D. G. (2008). Física para Ciencias e Ingeniería. (4a. ed.). Pearson Educación.