Pero, ¿cómo es posible que el agua esté tan fría y la arena tan caliente? Pues por su calor específico. Las sustancias como la arena tienen un calor específico bajo, por lo que se calientan rápidamente. Sin embargo, sustancias como el agua líquida tienen un calor específico alto, por lo que son mucho más difíciles de calentar.
En este artículo aprenderemos todo sobre el calor específico : qué es, qué significa y cómo calcularlo.
- Este artículo trata del calor específico .
- En primer lugar, definiremos la capacidad calorífica y el calor específico.
- Después, hablaremos de las unidades que se suelen utilizar para el calor específico.
- A continuación, hablaremos del calor específico del agua y por qué es tan importante para la vida.
- A continuación, veremos una tabla con algunos calores específicos comunes.
- Por último, aprenderemos la fórmula del calor específico y trabajaremos con algunos ejemplos.
Definición de calor específico
Empezaremos por ver la definición de calor específico.
La capacidadcalorífica es la cantidad de energía que se necesita para elevar la temperatura de una sustancia 1 °C
El calor específico o capacidad calorífica específica (Cp ) es la capacidad calorífica dividida por la masa de la muestra
Otra forma de pensar en el calor específico es la energía que se necesita para elevar 1 g de una sustancia 1 °C. Básicamente, el calor específico nos indica la facilidad con que puede elevarse la temperatura de una sustancia. Cuanto mayor sea el calor específico, más energía se necesita para calentarla.
Unidad de calor específico
El calor específico puede tener varias unidades, una de las más comunes, que utilizaremos, es J/(g °C). Cuando consultes tablas de calor específico, ¡presta atención a las unidades!
Hay otras unidades posibles, como
J/(kg- K)
cal/(g °C)
J/(kg °C)
Cuando utilizamos unidades como J/(kg-K), esto obedece a un cambio de definición. En este caso, el calor específico se refiere a la energía necesaria para elevar 1 kg de una sustancia 1 K (Kelvin).
Calor específico del agua
El calor específico delagua es relativamente alto, de 4,184 J/(g °C). Esto significa que se necesitan unos 4,2 julios de energía para elevar 1 °C la temperatura de sólo 1 gramo de agua.
El elevado calor específico del agua es una de las razones por las que es tan esencial para la vida. Como su calor específico es alto, es mucho más resistente a los cambios de temperatura. No sólo no se calentará rápidamente, sino que tampoco liberará calor rápidamente (es decir, se enfriará).
Por ejemplo, nuestro cuerpo quiere mantenerse a unos 37 °C, por lo que si la temperatura del agua pudiera cambiar fácilmente, estaríamos constantemente sobrecalentados o subcalentados.
Otro ejemplo: muchos animales dependen del agua dulce. Si el agua se calentara demasiado, ¡podría evaporarse y muchos peces se quedarían sin hogar! En relación con esto, el agua salada tiene un calor específico ligeramente inferior de ~3,85 J/(g ºC), que sigue siendo relativamente alto. Si el agua salada también tuviera temperaturas fácilmente fluctuantes, sería devastador para la vida marina.
Tabla de Calores Específicos
Aunque a veces determinamos el calor específico experimentalmente, también podemos consultar tablas para conocer el calor específico de una sustancia determinada. A continuación se muestra una tabla de algunos calores específicos comunes:
| Fig.1-Tabla de Calores Específicos | |||
|---|---|---|---|
| Nombre de la sustancia | Calor específico (en J/ g °C) | Nombre de la sustancia | Calor específico (en J/ g °C) |
| Agua (s) | 2.06 | Aluminio (s) | 0.897 |
| Agua (g) | 1.87 | Dióxido de carbono (g) | 0.839 |
| Etanol (l) | 2.44 | Vidrio (s) | 0.84 |
| Cobre (s) | 0.385 | Magnesio (s) | 1.02 |
| Hierro (s) | 0.449 | Estaño (s) | 0.227 |
| Plomo (s) | 0.129 | Zinc (s) | 0.387 |
El calor específico no sólo se basa en la identidad, sino también en el estado de la materia. Como puedes ver, el agua tiene un calor específico diferente cuando es un sólido, un líquido y un gas. Cuando consultes tablas (o veas problemas de ejemplo), asegúrate de prestar atención al estado de la materia.
Fórmula del calor específico
Veamos ahora la fórmula del calor específico. La fórmula del calor específico es
$$q=mC_p \Delta T$$
Donde
q es el calor absorbido o liberado por el sistema
m es la masa de la sustancia
Cp es el calor específico de la sustancia
ΔT es el cambio de temperatura (\(\Delta T=T_{final}-T_{inicial}\))
Esta fórmula se aplica a sistemas que ganan o pierden calor.
Ejemplos de capacidad calorífica específica
Ahora que tenemos nuestra fórmula, ¡pongámosla en práctica con algunos ejemplos!
Una muestra de 56 g de cobre absorbe 112 J de calor, lo que aumenta su temperatura en 5,2 °C. ¿Cuál es el calor específico del cobre?
Todo lo que tenemos que hacer aquí es resolver el calor específico (Cp) utilizando nuestra fórmula:
$$q=mC_p \Delta T$$
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$
$$C_p=\frac{112,J}{56,g*5,2 ^\circ C}$$
$$C_p=0,385\frac{J}{g ^\circ C}$$
Podemos comprobar nuestro trabajo mirando la tabla de calores específicos (Fig.1)
Como he mencionado antes, también podemos utilizar esta fórmula para cuando los sistemas liberan calor (es decir, se enfrían).
Una muestra de 112 g de hielo se enfría de 33°C a 29°C. Este proceso libera 922 J de calor. ¿Cuál es el calor específico del hielo?
Como el hielo está liberando calor, nuestro valor q será negativo, ya que se trata de una pérdida de energía/calor para el sistema.
$$q=mC_p \Delta T$$
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$
$$C_p=\frac{-922\,J}{112\,g*(29 ^\circ C-33 ^\circ C)}$$
$$C_p=2.06\frac{J}{g^\circ C}$$
Como antes, podemos volver a comprobar nuestra respuesta utilizando la Fig.1
También podemos utilizar el calor específico para identificar sustancias.
Una muestra de 212 g de un metal plateado absorbe 377 J de calor, lo que hace que la temperatura aumente 4,6 °C, dada la siguiente tabla, ¿cuál es la identidad del metal?
| Fig.2- | Posibles identidades de metales y sus calores específicos |
|---|---|
| Nombre del metal | Calor específico (J/g°C) |
| Hierro (s) | 0.449 |
| Aluminio (s) | 0.897 |
| Estaño (s) | 0.227 |
| Zinc (s) | 0.387 |
Para averiguar la identidad del metal, tenemos que resolver el calor específico y compararlo con la tabla.
$$q=mC_p \Delta T$$
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$
$$C_p=\frac{377\,J}{212\,g*4,6 ^\circ C}$$
$$C_p=0.387\frac{J}{g^\circ C}$$
Según la tabla, el metal de la muestra es Zinc.
Calorimetría
Probablemente te preguntes cómo hallamos estos calores específicos, un método es la calorimetría.
Lacalorimetría es el proceso de medir el intercambio de calor entre un sistema (como una reacción) y un objeto calibrado llamado calorímetro.
Uno de los métodos habituales de calorimetría es la calorimetría de taza de café. En este tipo de calorimetría, se llena una taza de café de poliestireno con una cantidad determinada de agua a una temperatura dada. La sustancia cuyo calor específico queremos medir se introduce en esa agua con un termómetro.
El termómetro mide el cambio de calor del agua, que luego se utiliza para calcular el calor específico de la sustancia.
A continuación se muestra el aspecto de uno de estos calorímetros:
Fig.1-Un calorímetro de taza de café
El alambre es un agitador que se utiliza para mantener la temperatura uniforme.
Entonces, ¿cómo funciona? Pues bien, la calorimetría parte de este supuesto básico: el calor que pierde una especie lo gana la otra. O, en otras palabras, no hay pérdida neta de calor:
$$-Q_{calorímetro}=Q_{sustancia}$$
O
$$-mC_{agua}\Delta T=mC_{sustancia}\Delta T$$
Este método permite calcular tanto el intercambio de calor (q) como el calor específico de la sustancia que elijamos. Como se menciona en la definición, también puede utilizarse para calcular cuánto calor libera o absorbe una reacción.
Existe otro tipo de calorímetro llamado calorímetro de bomba. Estos calorímetros están creados para soportar reacciones a alta presión, de ahí que se le llame "bomba".
Fig.2-Un calorímetro bomba
El montaje de un calorímetro de bomba es prácticamente el mismo, salvo que el material es mucho más resistente y la muestra se mantiene dentro de un recipiente sumergido en agua.
Calor específico - Puntos clave
- La capacidadcalorífica es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en 1 ºC
- El calorespecífico o capacidad calorífica específica (Cp ) es la capacidad calorífica dividida por la masa de la muestra
- Existen varias unidades posibles para el calor específico, como por ejemplo
- J/g°C
- J/kg*K
- cal/g ºC
- J/kg ºC
- La fórmula del calor específico es
$$q=mC_p \Delta T$$
Donde q es el calor absorbido o liberado por el sistema, m es la masa de la sustancia, Cp es el calor específico de la sustancia y ΔT es el cambio de temperatura (\(\Delta T=T_{final}-T_{inicial}\))
La calorimetría es el proceso de medición del intercambio de calor entre un sistema (como una reacción) y un objeto calibrado llamado calorímetro.
La calorimetría se basa en la suposición de que $$Q_{calorímetro}=-Q_{sustancia}$$
Referencias
- Fig.1-Calorímetro de taza de café (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Coffee_cup_calorimeter_pic.jpg/640px-Coffee_cup_calorimeter_pic.jpg) por Community College Consortium for Bioscience Credentials (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:C3bc-taaccct&action=edit&redlink=1) con licencia CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)
- Fig.2-Calorímetro de bomba (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ed/Bomb_Calorimeter_Diagram.png/640px-Bomb_Calorimeter_Diagram.png) por Lisdavid89 (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Lisdavid89) bajo licencia CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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