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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 6
Lección 3: Capacidad térmica y calorimetríaCapacidad térmica
La capacidad térmica es la cantidad de calor que se necesita para cambiar la temperatura de una cantidad dada de materia en 1 °C. A la capacidad térmica de 1 gramo de una sustancia se la conoce como su capacidad térmica específica (o calor específico), mientras que a la capacidad térmica de 1 mol de una sustancia se la conoce como su capacidad térmica molar. La cantidad de calor que gana o pierde una muestra (q) se puede calcular con la ecuación q = mcΔT, donde m es la masa de la muestra, c es el calor específico y ΔT es el cambio de temperatura. Creado por Jay.
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Transcripción del video
La capacidad calorífica de un objeto
es la cantidad de calor necesario para aumentar su temperatura en un
grado Celsius o en un Kelvin. La capacidad calorífica específica, que a
menudo es llamada simplemente calor específico, es la capacidad calorífica
de un gramo de una sustancia, mientras que la capacidad calorífica molar es la
capacidad calorífica de un mol de una sustancia. Simbolizamos el calor específico con una
C mayúscula y a la capacidad calorífica molar la simbolizamos con una
C mayúscula y un subíndice m. Primero veamos el calor específico. El calor específico del agua es igual
a 4.18 joules sobre gramo grados Celsius. Esto significa que si tenemos un gramo de
agua líquida, y digamos que la temperatura inicial es de 14.5 grados Celsius,
se requieren 4.18 joules positivos de energía para aumentar la temperatura
de ese gramo de agua un grado Celsius. Por lo tanto, la temperatura final del agua será de 15.5 grados Celsius
después de sumar 4.18 joules. A continuación, calculemos la capacidad calorífica
molar del agua a partir del calor específico. Si multiplicamos el calor específico del agua por
la masa molar del agua que es 18.0 gramos por mol, los gramos se cancelan y esto es igual
a 75.2 joules por mol grado Celsius. Y esta es la capacidad calorífica molar del agua. Digamos que tenemos 18.0 gramos de
agua, si lo dividimos entre la masa molar del agua que es 18.0 gramos por mol,
los gramos se cancelan y eso nos da un mol de agua líquida.
Un mol de H2O. Usando la capacidad calorífica molar del
agua, se requieren 75.2 joules positivos de energía para aumentar la temperatura
de esos 18.0 gramos de agua un grado Celsius. A continuación, calculemos cuánto calor es
necesario para calentar 250 gramos de agua desde una temperatura inicial de 22 grados Celsius
hasta una temperatura final de 98 grados Celsius. Usando las unidades para el calor específico,
que son joules sobre gramo grados Celsius, podemos reescribir que el
calor específico es igual a: Joules es la cantidad de calor que se
transfiere, así que podríamos escribir q. Gramos es la masa de la sustancia
y los grados Celsius nos están indicando el cambio de temperatura, delta T.
De modo que si multiplicamos ambos lados por m delta T, obtenemos la siguiente
ecuación: q es igual a mC delta T. Y podemos usar esta ecuación para
calcular el calor transferido para diferentes sustancias con
diferentes calores específicos. Sin embargo, en este momento solo nos
interesa nuestra agua líquida y saber cuánto calor se necesita para aumentar la
temperatura de nuestra agua de 22 grados Celsius hasta una temperatura
final de 98 grados Celsius. Para encontrar el cambio en la temperatura,
a la temperatura final le restamos la temperatura inicial. Esto es 98 grados Celsius
menos 22, lo que es igual a 76 grados Celsius. A continuación, podemos sustituir
todo en nuestra ecuación. q es lo que estamos tratando de calcular. m es la masa de la sustancia,
que es igual a 250 gramos. C es el calor específico del agua que es igual
a 4.18 joules sobre gramo grados Celsius, y delta T, que acabamos de calcular,
es igual a 76 grados Celsius. Así que sustituyamos todo en nuestra ecuación.
q sería igual a la masa que es 250 gramos. El calor específico del agua es igual a
4.18 joules sobre gramo grados Celsius. Y el cambio de temperatura
es igual a 76 grados Celsius. Así que si observamos esto nos damos cuenta de
que los gramos se cancelan, los grados Celsius se cancelan y nos queda que q es igual a 79,420
joules o considerando dos cifras significativas, q es igual a 7.9 multiplicado por 10
elevado a la cuarta potencia joules. De modo que 7.9 por 10 a la cuarta potencia
joules de energía tienen que ser transferidos al agua para aumentar la temperatura del agua
de 22 grados Celsius a 98 grados Celsius. El calor específico puede variar
ligeramente con la temperatura. Por eso, la temperatura a menudo se especifica cuando
observamos una tabla de calor específico. Por ejemplo, en la columna de la izquierda
tenemos diferentes sustancias, en la columna de la derecha tenemos
sus calores específicos a 298 Kelvin. Así que podríamos usar joules
sobre gramo grados Celsius como las unidades para el calor específico, o
podríamos usar joules sobre gramo Kelvin. Para el agua líquida, el calor
específico es 4.18 a 298 Kelvin. Para el aluminio, aluminio sólido,
el calor específico es 0.90. Y para el hierro sólido, el calor específico
es de 0.45 joules sobre gramo Kelvin. Comparemos los dos metales de nuestra tabla,
comparemos el aluminio sólido y el hierro sólido. De modo que vamos a sumar 1.0 por 10
al cuadrado joules de energía a ambos metales y ver qué sucede en
términos del cambio de temperatura. Primero, hagamos el cálculo para el aluminio.
q es igual a mC delta T y estamos sumando 1.0 por 10 al cuadrado joules.
Y digamos que tenemos 10 gramos de nuestros dos metales... entonces aquí tenemos 10.0
gramos de aluminio y multiplicamos por el calor específico del aluminio, que es 0.90… 0.90 joules
sobre gramo Kelvin, multiplicado por delta T. Cuando hacemos los cálculos cancelamos los joules, cancelamos los gramos y encontramos que delta
T es igual a 11 Kelvin u 11 grados Celsius, realmente no importa qué unidades
usemos aquí para el calor específico. En seguida haremos el mismo
cálculo para el hierro, así que sumamos la misma cantidad de calor,
1.0 por 10 al cuadrado joules de energía. Podemos sustituirlo... 1.0 por 10
al cuadrado joules, estamos tratando con la misma masa de modo que tenemos 10.0
gramos de hierro pero esta vez usaremos el calor específico del hierro que es 0.45 joules
sobre gramo Kelvin multiplicado por delta T. Una vez más, los joules se cancelan, los gramos se cancelan y obtenemos que delta
T es igual a 22 Kelvin, o 22 grados Celsius. Lo que podemos aprender después de hacer estos dos cálculos es que se agregó la misma
cantidad de calor a las dos sustancias, la masa de las dos sustancias era la misma,
la diferencia eran sus calores específicos. El hierro tiene un calor específico más
bajo que el aluminio y debido a que el calor específico del hierro es más bajo, es
más fácil cambiar la temperatura del hierro. Entonces, cuanto menor sea el valor del
calor específico, el cambio de temperatura será mayor. También podríamos decir que cuanto
mayor sea el valor del calor específico, el cambio de temperatura será menor. Y volviendo a nuestro gráfico, el agua líquida
tiene un calor específico relativamente alto lo que significa que la temperatura del
agua es relativamente resistente al cambio.