En algún momento de su vida, probablemente se haya preguntado qué caloría es después de mirar la etiqueta de información nutricional de un alimento determinado. Aparte de algo con lo que a muchas personas les gusta ver números más bajos asociados cuando escanean tales etiquetas, ¿qué es una caloría?
¿Y cómo agregan las "calorías" masa a los sistemas vivos, si esto es lo que sucede? ¿Y cómo puede estar seguro de que se ha determinado con precisión la cantidad de calorías enumeradas para un artículo determinado, ya sea este valor tranquilizador o deprimente?
Calor es una de las muchas propiedades del mundo ambiental que probablemente puedas describir bien con algunas de tus propias palabras bien elegidas, pero tiene un significado más centrado en las ciencias físicas. La caloría es una medida de calor, al igual que el joule (J) y la unidad térmica británica (btu). El estudio del intercambio de calor es una rama de la ciencia física conocida como calorimetría, que a su vez se basa en dispositivos llamados calorímetros.
Intuitivamente, puede resultarle extraño que los alimentos refrigerados o congelados como el helado y el pastel de queso puedan contener una gran cantidad de lo que supuestamente se calienta en una porción pequeña. Además, si las calorías de alguna manera se traducen en calor, ¿no deberían los alimentos que aportan una mayor cantidad en realidad conducir al peso? pérdida en lugar de masa corporal añadida?
Estas son buenas preguntas, y después de "quemar" el resto de este artículo, tendrá estas respuestas y mucho más para llevar a su próximo laboratorio de calorimetría o discusión sobre nutrición deportiva.
¿Qué es el calor en física?
El calor se puede considerar principalmente como energía térmica. Como otras formas de energía, tiene unidades de julios (o el equivalente en unidades distintas del SI). El calor es una cantidad difícil de alcanzar porque es difícil de medir directamente. En cambio, los cambios de temperatura en condiciones experimentales controladas se pueden utilizar para determinar si un sistema ha ganado o perdido calor.
El hecho de que el calor se trate como energía significa que hacer un seguimiento de él es un ejercicio matemáticamente sencillo, incluso si los experimentos a veces hacen que sea difícil establecer condiciones en las que no se escape energía térmica y eluda la medición. Pero debido a realidades fundamentales como la ley de la conservación de la energía, La tabulación de calor es bastante simple en principio.
Los materiales tienen diferentes niveles de resistencia a los cambios de temperatura cuando se agrega una determinada cantidad de calor a una cantidad fija de esa sustancia. Es decir, si toma 1 kilogramo de sustancia A y 1 kilogramo de sustancia B y agrega la misma cantidad de calor a cada uno, sin que se permita que salga calor sistema, la temperatura de A podría aumentar solo una quinta parte de lo que aumenta la temperatura de la sustancia B.
Esto significaría que la sustancia A tiene un calor especifico cinco veces mayor que el de la sustancia A, un concepto que se explorará en detalle a continuación.
Unidades de calor y "calorías"
La "caloría" que se indica en las etiquetas nutricionales es de hecho una kilocaloría o kcal. Entonces, en realidad, una lata típica de refresco azucarado tiene alrededor de 120.000 calorías, expresadas por convención como una caloría en la comunicación diaria.
- Calor es la palabra latina para, apropiadamente, calor.
La caloría es equivalente a aproximadamente 4,184 J, lo que significa que las kcal tratadas como caloría en las etiquetas de los alimentos son 4,184 J o 4,184 kJ. La tasa de gasto de energía (julios por segundo) en ciencias físicas se llama potencia, y la unidad SI es el vatio (W), igual a 1 J / s. Por lo tanto, una kcal es una cantidad suficiente de energía para alimentar un sistema que funciona a una velocidad de entre 0,35 y 0,4 kW (350 J / s) durante unos 12 segundos:
P = E / t, entonces t = E / P = 4.186 kJ / (0.35 kJ / s) = 12.0.
- Un atleta de resistencia entrenado, como un ciclista o un corredor, es capaz de mantener esa producción de potencia durante períodos prolongados. En teoría, entonces, una bebida energética de 100 "calorías" (100 kcal) podría mantener a un ciclista olímpico de ruta o corredor de maratón en movimiento durante aproximadamente 100 veces 12 segundos o 20 minutos. Debido a que el sistema humano no tiene una eficiencia mecánica cercana al 100 por ciento, en realidad requiere más de 300 kcal para funcionar cerca de la capacidad aeróbica total durante este tiempo.
La caloría se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado Celsius. Un problema con esto es que hay una ligera variación de la c del agua con la temperatura en el rango de temperaturas en las que H2O es un líquido. El "específico" en "calor específico" se refiere no solo a materiales específicos sino a una temperatura específica.
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Los calores específicos de la mayoría de los materiales se dan a 20
° C o 25 ° C.
Capacidad calorífica y calor específico definido
Técnicamente, los términos "capacidad calorífica" y "capacidad calorífica específica" significan cosas diferentes, aunque puede ver que se usan indistintamente en fuentes menos rigurosas.
La capacidad calorífica, cuando se acuñó originalmente, se refería simplemente a la cantidad de calor requerida para calentar un objeto completo (que puede estar hecho de múltiples materiales) en una cantidad determinada. La capacidad calorífica específica se refiere a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo. de un material específico por 1 grado Celsius o Kelvin (° C o K).
- Si bien las escalas de temperatura Celsius y Kelvin no son iguales, son diferentes en una cantidad fija, como ° C + 273 = K donde K no puede ser negativo. Esto significa que un cambio numérico dado en la temperatura en una escala produce la misma magnitud de cambio en la otra, a diferencia del caso de las interconversiones Fahrenheit-Celsius.
En lugar de acortar "capacidad calorífica específica" a "capacidad calorífica", utilice el término calor especifico, como es la convención en fuentes acreditadas.
¿Qué es la calorimetría?
El propósito de un calorímetro consiste en capturar el calor liberado en algún proceso, como una reacción química exotérmica, que de otro modo se perdería en el medio ambiente. Cuando se conocen el cambio de temperatura del sistema y la masa y el calor específico del conjunto del calorímetro, se puede determinar la cantidad de calor que el proceso introduce en el sistema. Se proporcionan ejemplos en una sección posterior.
Un calorímetro se puede construir a partir de varios materiales diferentes, con la condición de que sean aislantes (es decir, que no permitan la transferencia de calor; el término también se usa en electromagnetismo para referirse a la resistencia contra la transferencia de carga eléctrica).
Se puede hacer una versión común con una taza de espuma de poliestireno y una tapa bien ajustada. En este calorímetro de taza de café, el agua se usa generalmente como solvente, y un termómetro y (si es necesario) una varilla agitadora se colocan cómodamente a través de pequeños orificios en la tapa de la taza.
La fórmula de calorimetría
El cambio de calor de un sistema cerrado (positivo por definición en el caso de un calorímetro) viene dado por el producto de la masa del sistema, la capacidad calorífica del calorímetro y el cambio de temperatura del sistema:
Q = mC∆T
Dónde:
- Q = calor desprendido (igual al calor absorbido - calor liberado) en julios (J)
- m = masa en kilogramos (kg)
- c = capacidad calorífica específica en J / kg⋅ ° C (o J / kg⋅K)
- ∆T = cambio de temperatura en ° C (o K)
El calor que se libera de cualquier reacción química exotérmica (de liberación de calor) que se produzca en el calorímetro normalmente se dispersaría en el medio ambiente. Esta es una pérdida atribuida a un cambio en una cantidad termodinámica conocida como entalpía que describe tanto la energía interna del sistema como los cambios en la relación presión-volumen del sistema. En cambio, este calor queda atrapado entre el solvente y la tapa de la taza.
Anteriormente, se introdujo la idea de conservación de energía. Debido a que el calor que ingresa al calorímetro debe ser igual al calor liberado por el sistema dentro del calorímetro que consiste en los reactivos y productos mismos, el signo del cambio de calor para este sistema es negativo y tiene la misma magnitud que el calor ganado por el calorímetro.
Las declaraciones anteriores y relacionadas asumen que sólo no hay calor o escapan cantidades insignificantes de calor del calorímetro. El calor se mueve de áreas más cálidas a áreas más frías cuando el aislamiento no está presente, por lo que sin el aislamiento adecuado, el calor dejará el calorímetro para el medio ambiente a menos que la temperatura ambiental sea más cálida que la del calorímetro.
Algunas capacidades térmicas específicas comunes
La siguiente tabla incluye el calor específico en J / kg⋅ ° C de algunos elementos y compuestos que se encuentran comúnmente.
- H2O, hielo: 2.108
- H2O, agua: 4.184
- H2O, vapor de agua: 2.062
- Metanol: 2.531
- Etanol: 2.438
- Benceno: 1.745
- Carbono, grafito: 0,709
- Carbono, diamante: 0.509
- Aluminio: 0.897
- Hierro: 0.449
- Cobre: 0.385
- Oro: 0,129
Mercurio: 0.140
Sal de mesa (NaCl): 0,864
- Cuarzo: 0,742
- Calcita: 0,915
Tenga en cuenta que el agua tiene una capacidad calorífica inusualmente grande. Quizás sea contradictorio que un gramo de agua se caliente en menos de una décima parte de lo que es un gramo de agua con la misma cantidad de calor agregado, pero esto es importante para la vida alrededor del planeta.
El agua constituye aproximadamente las tres cuartas partes de su cuerpo, lo que le permite tolerar cambios importantes en la temperatura ambiental. En términos más generales, los océanos actúan como depósitos de calor para ayudar a estabilizar las temperaturas en todo el mundo.
La capacidad calorífica de un calorímetro
Ahora está listo para algunos cálculos que involucran calorímetros.
Ejemplo 1: Primero, considere el caso simple de un gramo de hidróxido de sodio (NaOH) que se disuelve en 50 mL de agua a 25 ° C. Considere que la capacidad calorífica del agua a esta temperatura es 4.184 J / kg⋅ ° C y considere que los 50 mL de agua tienen una masa de 50 gramos, o 0.05 kg. Si la temperatura de la solución aumenta a 30,32 ° C, ¿cuánto calor gana el calorímetro?
Tienes Q = mc∆T = (0.05 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (30.32 - 5.32 ° C)
= 1,113 kJ o 1,113 J.
Ejemplo 2: Considere ahora el caso de una unidad de almacenamiento de energía solar doméstica, un dispositivo que se está volviendo más popular con el tiempo. Suponga que este dispositivo usa 400 L de agua para almacenar energía térmica.
En un día despejado de verano, la temperatura inicial del agua es de 23,0 ° C. Durante el transcurso del día, la temperatura del agua se eleva a 39,0 ° C a medida que circula a través de la "pared de agua" de la unidad. ¿Cuánta energía se ha almacenado en el agua?
Nuevamente, suponga que la masa de agua es 400 kg, es decir, que la densidad del agua se puede considerar exactamente 1.0 dentro de este rango de temperatura (esto es una simplificación).
La ecuación de interés esta vez es:
Q = mc∆T = (400 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)
= 26.778 J = 26,78 kJ.
Esta es la energía suficiente para alimentar un calentador de espacio de 1,5 kW durante unos 17 segundos:
(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s
Lo más probable es que los propietarios tengan planeado un uso diferente si viven en una casa solar.
Calculadora de calorimetría
Puede usar calculadoras en línea que le permiten convertir fácilmente entre unidades de calor específico, incluidas unidades inusuales pero no completamente extintas como Btu / lbmetrooF.