Definir la capacidad calorífica específica
La capacidad calorífica específica es una medida de cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de un material y se define como sigue:
La capacidad calorífica específica de una sustancia es la energía necesaria para elevar la temperatura de \( 1\,\mathrm{kg} \) de la sustancia en \( 1^\circ\mathrm C \).
Aunque tendrás una comprensión intuitiva de la temperatura como lo caliente o frío que está algo, también puede ser útil conocer la definición real.
La temperatura de una sustancia es la energía cinética media de las partículas que contiene.
Siempre se necesita energía para elevar la temperatura de un material. A medida que se suministra energía, aumenta la energía interna de las partículas del material. Los distintos estados de la materia reaccionan de forma algo diferente cuando se calientan:
- Calentar un gas hace que las partículas se muevan más rápidamente.
- Calentar sólidos hace que las partículas vibren más.
- El calentamiento de líquidos provoca una combinación de mayores vibraciones y un movimiento más rápido de las partículas.
Cuando utilizas un mechero bunsen para calentar un vaso de agua, la energía térmica de la llama se transfiere a las partículas del agua, lo que hace que vibren más y se muevan más deprisa. Por tanto, la energía térmica se convierte en energía cinética.
Fórmula de la capacidad calorífica específica
La energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia en una determinada cantidad depende de dos factores:
- La masa: la cantidad de sustancia que hay. Cuanto mayor sea la masa, más energía se necesitará para calentarla.
- El material - la temperatura de los distintos materiales aumentará en cantidades diferentes cuando se les aplique energía.
La cantidad que se calienta un material cuando se le aplica energía depende de su capacidad calorífica específica, \( c \). Cuanto mayor sea la capacidad calorífica específica de un material, más energía se necesitará para que su temperatura aumente una cantidad determinada. En la tabla siguiente se muestran las capacidades caloríficas específicas de diversos materiales.
| Tipo de material | Material | Capacidad calorífica específica (\( \mathrm J\,\mathrm{kg}^{-1},\mathrm K^{-1} \)) |
| Metales | Plomo | 130 |
| Cobre | 385 | |
| Aluminio | 910 | |
| No metales | Vidrio | 670 |
| Hielo | 2100 | |
| Etanol | 2500 | |
| Agua | 4200 | |
| Aire | 1000 |
La tabla muestra que los no metales suelen tener una capacidad calorífica específica mayor que los metales. Además, el agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta en comparación con otros materiales. Su valor es de \( 4200\,\mathrm J\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm K^{-1} \), lo que significa que se necesita \( 4200\,\mathrm J \) de energía para calentar \( 1 \,\mathrm kg \) de agua en \( 1\,\mathrm K \). Se necesita mucha energía para calentar el agua y, por otra parte, el agua tarda mucho tiempo en enfriarse.
La elevada capacidad calorífica específica del agua tiene una consecuencia interesante para el clima mundial. El material que compone la tierra de la Tierra tiene una capacidad calorífica específica baja en comparación con el agua. Esto significa que, en verano, la tierra se calienta y se enfría más rápidamente que el mar. En invierno, la tierra se enfría más rápidamente que el mar.
Las personas que viven a gran distancia del mar tienen inviernos extremadamente fríos y veranos muy calurosos. Los que viven en la costa o cerca del mar no experimentan los mismos climas extremos porque el mar actúa como depósito de calor en invierno y permanece más fresco en verano.
Ahora que hemos discutido qué factores afectan a cómo cambia la temperatura de una sustancia, podemos enunciar la fórmula de la capacidad calorífica específica. El cambio de energía, \( \Delta E \), necesario para producir un determinado cambio de temperatura, \( \Delta\theta \), en un material de masa \( m \) y capacidad calorífica específica \( c \) viene dado por la ecuación
que en palabras puede escribirse como
Observa que esta ecuación relaciona el cambio de energía con el cambio de temperatura. La temperatura de una sustancia disminuye cuando se le quita energía, en cuyo caso las cantidades \( \Delta E \) y \( \Delta\theta \) serán negativas.
Unidad SI de capacidad calorífica específica
Como habrás observado en la tabla del apartado anterior, la unidad SI de la capacidad calorífica específica es \( \mathrm J\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm K^{-1}\). Puede deducirse de la ecuación de la capacidad calorífica específica. Reorganicemos primero la ecuación para encontrar una expresión de la capacidad calorífica específica por sí sola:
Las unidades del SI para las cantidades de la ecuación son las siguientes:
- Julios \( \mathrm J \), para la energía.
- Kilogramos \( \mathrm{kg} \), para la masa.
- Kelvin \( \mathrm K \), para la temperatura.
Podemos introducir las unidades en la ecuación de la capacidad calorífica específica para hallar la unidad SI de \( c \):
Como sólo se trata de un cambio de temperatura -una diferencia entre dos temperaturas y no una temperatura única-, las unidades pueden ser Kelvin, \( \mathrm K \), o grados Celsius, \( ^\circ \mathrm C \). Las escalas Kelvin y Celsius tienen las mismas divisiones y sólo difieren en sus puntos de partida - \( 1\,\mathrm K \) es igual a \( 1 ^\circ\mathrm C \).
Método de la capacidad calorífica específica
Se puede realizar un breve experimento para hallar la capacidad calorífica específica de un bloque de material, como el aluminio. A continuación se enumeran el equipo y los materiales necesarios:
- Termómetro.
- Cronómetro.
- Calentador de inmersión.
- Fuente de alimentación.
- Amperímetro.
- Voltímetro.
- Cables de conexión.
- Bloque de aluminio de masa conocida con agujeros para colocar el termómetro y el calentador de inmersión.
Este experimento utiliza un calentador de inmersión para aumentar la temperatura de un bloque de aluminio y poder medir la capacidad calorífica específica del aluminio. El montaje se muestra en la siguiente imagen. En primer lugar, hay que construir el circuito del calentador de inmersión. El calentador de inmersión debe conectarse a una fuente de alimentación en serie con un amperímetro y colocarse en paralelo con un voltímetro. A continuación, se puede colocar el calentador dentro del orificio correspondiente del bloque y hacer lo mismo con el termómetro.
Una vez que todo esté preparado, enciende la fuente de alimentación y pon en marcha el cronómetro. Anota la temperatura inicial del termómetro. Toma lecturas de la corriente del amperímetro y de la tensión del voltímetro cada minuto durante un total de \( 10 \) minutos. Una vez transcurrido el tiempo, anota la temperatura final.
Para calcular la capacidad calorífica específica, debemos hallar la energía transferida al bloque por el calentador. Podemos utilizar la ecuación
Una vez que todo esté preparado, enciende la fuente de alimentación y pon en marcha el cronómetro. Anota la temperatura inicial del termómetro. Toma lecturas de la corriente del amperímetro y de la tensión del voltímetro cada minuto durante un total de \( 10 \) minutos. Una vez transcurrido el tiempo, anota la temperatura final.
Para calcular la capacidad calorífica específica, debemos hallar la energía transferida al bloque por el calentador. Podemos utilizar la ecuación
donde \( E \) es la energía transferida en julios \( \mathrm J \), \( P \) es la potencia del calentador de inmersión en vatios \( \mathrm W \), y \( t \) es el tiempo de calentamiento en segundos \( \mathrm s \). La potencia del calentador puede calcularse mediante
donde \( I \) es la corriente del amperímetro en Amperios \( \mathrm A \), y \( V \) es la tensión medida por el voltímetro en voltios \( \mathrm V \). Debes utilizar tus valores medios de corriente y tensión en esta ecuación. Esto significa que la energía viene dada por
Ya encontramos una ecuación para la capacidad calorífica específica como
Ahora que tenemos una expresión para la energía transferida al bloque de aluminio, podemos sustituirla en la ecuación de la capacidad calorífica específica para obtener
Tras completar este experimento, tendrás todas las cantidades necesarias para calcular la capacidad calorífica específica del aluminio. Este experimento puede repetirse para hallar las capacidades caloríficas específicas de distintos materiales.
Hay varias fuentes de error en este experimento que deben evitarse o señalarse:
- Tanto el amperímetro como el voltímetro deben ponerse inicialmente a cero para que las lecturas sean correctas.
- Una pequeña cantidad de energía se disipa en forma de calor en los cables.
- Parte de la energía suministrada por el calentador de inmersión se desperdiciará: calentará el entorno, el termómetro y el bloque. Esto hará que la capacidad calorífica específica medida sea inferior al valor real. La proporción de energía desperdiciada puede reducirse aislando el bloque.
- El termómetro debe leerse a la altura de los ojos para registrar la temperatura correcta.
Cálculo de la capacidad calorífica específica
Las ecuaciones tratadas en este artículo pueden utilizarse para muchas preguntas prácticas sobre la capacidad calorífica específica.
Pregunta
Una piscina exterior necesita ser calentada hasta una temperatura de \( 25^\circ\mathrm C \). Si su temperatura inicial es \( 16^\circ\mathrm C \) y la masa total de agua de la piscina es \( 400.000\mathrm kg \), ¿cuánta energía se necesita para que la piscina alcance la temperatura correcta?
Solución
La ecuación de la capacidad calorífica específica es
Necesitamos la masa de agua de la piscina, la capacidad calorífica específica del agua y el cambio de temperatura de la piscina para calcular la energía necesaria para calentarla. La masa se da en la pregunta como \( 400.000\,\mathrm kg \). La capacidad calorífica específica del agua se ha dado en la tabla anterior del artículo y es \( 4200\,\mathrm J\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm K^{-1} \). El cambio de temperatura de la piscina es la temperatura final menos la temperatura inicial, es decir
Todos estos valores pueden introducirse en la ecuación para hallar la energía como
Pregunta
Se utiliza un calentador de inmersión para calentar un bloque de aluminio de masa \( 1\,\mathrm{kg} \), que tiene una temperatura inicial de \( 20^\circ\mathrm C \). Si el calentador transfiere \( 10.000\mathrm J \) al bloque, ¿qué temperatura final alcanza el bloque? La capacidad calorífica específica del aluminio es \( 910\,\mathrm J\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm K^{-1} \).
Solución
Para esta pregunta, debemos utilizar de nuevo la ecuación de la capacidad calorífica específica
que puede reordenarse para obtener una expresión del cambio de temperatura, \( \Delta\theta \) como
El cambio de energía es ( 10.000 J), la masa del bloque de aluminio es ( 1 kg) y la capacidad calorífica específica del aluminio es ( 910 J). Sustituyendo estas cantidades en la ecuación se obtiene el cambio de temperatura como
La temperatura final, \( \theta_{mathrm F}\}, es igual al cambio de temperatura sumado a la temperatura inicial:
Capacidad calorífica específica - Puntos clave
- La capacidad calorífica específica de una sustancia es la energía necesaria para elevar la temperatura de \( 1\;\mathrm{kg} \) de la sustancia en \( 1^\circ\mathrm C \).
- La energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia depende de su masa y del tipo de material.
- Cuanto mayor es la capacidad calorífica específica de un material, más energía se necesita para que su temperatura aumente una cantidad determinada.
- Los metales suelen tener una capacidad calorífica específica mayor que los no metales.
- El agua tiene una capacidad calorífica específica elevada en comparación con otros materiales.
- El cambio de energía, \( \Delta E \), necesario para producir un determinado cambio de temperatura, \( \Delta\theta \), en un material de masa \( m \) y capacidad calorífica específica \( c \) viene dado por la ecuación
\( \Delta E=mc\Delta\theta \).
La unidad SI para la capacidad calorífica específica es \( \mathrm J\;\mathrm{kg}^{-1}};\mathrm K^{-1} \).
Los grados Celsius pueden cambiarse por Kelvin en las unidades de capacidad calorífica específica, ya que \( 1^\circ \mathrm C \) es igual a \( 1\;\mathrm K \).
La capacidad calorífica específica de un bloque de un determinado material puede hallarse calentándolo con un calentador de inmersión y utilizando la ecuación \( E=IVt \) para hallar la energía transferida al bloque desde el circuito eléctrico del calentador.
Aprende con 11 tarjetas de Capacidad calorífica específica en la aplicación StudySmarter gratis
Tenemos 14,000 tarjetas de estudio sobre paisajes dinámicos.
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
Preguntas frecuentes sobre Capacidad calorífica específica
Pon a prueba tus conocimientos con tarjetas de opción múltiple
TU PUNTUACIÓN
Tu puntuación
¡Únete a la aplicación StudySmarter y aprende de manera eficiente con millones de tarjetas y mucho más!
Aprende con 11 tarjetas de Capacidad calorífica específica en la aplicación StudySmarter gratis
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
Acerca de StudySmarter
StudySmarter es una compañía de tecnología educativa reconocida a nivel mundial, que ofrece una plataforma de aprendizaje integral diseñada para estudiantes de todas las edades y niveles educativos. Nuestra plataforma proporciona apoyo en el aprendizaje para una amplia gama de asignaturas, incluidas las STEM, Ciencias Sociales e Idiomas, y también ayuda a los estudiantes a dominar con éxito diversos exámenes y pruebas en todo el mundo, como GCSE, A Level, SAT, ACT, Abitur y más. Ofrecemos una extensa biblioteca de materiales de aprendizaje, incluidas tarjetas didácticas interactivas, soluciones completas de libros de texto y explicaciones detalladas. La tecnología avanzada y las herramientas que proporcionamos ayudan a los estudiantes a crear sus propios materiales de aprendizaje. El contenido de StudySmarter no solo es verificado por expertos, sino que también se actualiza regularmente para garantizar su precisión y relevancia.
Aprende más
