Suponga que vierte una cantidad fija de agua en dos vasos de precipitados diferentes. Un vaso es alto y estrecho, y el otro vaso es alto y ancho. Si la cantidad de agua vertida en cada vaso de precipitados es la misma, es de esperar que el nivel de agua sea más alto en el vaso de precipitados estrecho.
El ancho de estos cubos es análogo al concepto de capacidad calorífica específica. En esta analogía, el agua que se vierte en los baldes se puede considerar como la energía térmica que se agrega a dos materiales diferentes. El aumento de nivel en los cubos es análogo al aumento de temperatura resultante.
¿Qué es la capacidad calorífica específica?
La capacidad calorífica específica de un material es la cantidad de energía térmica requerida para elevar una unidad de masa de ese material en 1 Kelvin (o grado Celsius). Las unidades SI de capacidad calorífica específica son J / kgK (julios por kilogramo × Kelvin).
El calor específico varía según las propiedades físicas de un material. Como tal, es un valor que normalmente busca en una tabla. El calor
Qañadido a un material de masametrocon capacidad calorífica específicaCda como resultado un cambio de temperaturaΔTdeterminado por la siguiente relación:Q = mc \ Delta T
El calor específico del agua
La capacidad calorífica específica del granito es de 790 J / kgK, del plomo de 128 J / kgK, del vidrio de 840 J / kgK, del cobre de 386 J / kgK y del agua de 4.186 J / kgK. Tenga en cuenta cuánto mayor es la capacidad calorífica específica del agua en comparación con las otras sustancias de la lista. Resulta que el agua tiene una de las capacidades caloríficas específicas más altas de cualquier sustancia.
Las sustancias con mayores capacidades caloríficas específicas pueden tener temperaturas mucho más estables. Es decir, sus temperaturas no fluctuarán tanto cuando agregue o elimine energía térmica. (Piense en la analogía del vaso de precipitados al comienzo de este artículo. Si agrega y resta la misma cantidad de líquido al vaso ancho y al vaso estrecho, el nivel cambia mucho menos en el vaso ancho).
Es por esto que las ciudades costeras tienen climas mucho más templados que las ciudades del interior. Estar cerca de una masa de agua tan grande estabiliza sus temperaturas.
La gran capacidad calorífica específica del agua también es la razón por la que, cuando saca una pizza del horno, la salsa aún lo quemará incluso después de que la corteza se haya enfriado. La salsa que contiene agua tiene que emitir mucha más energía térmica antes de que pueda bajar de temperatura en comparación con la corteza.
Ejemplo de capacidad calorífica específica
Suponga que se agregan 10,000 J de energía térmica a 1 kg de arena (Cs = 840 J / kgK) inicialmente a 20 grados Celsius, mientras que la misma cantidad de energía térmica se agrega a una mezcla de 0.5 kg de arena y 0.5 kg de agua, también inicialmente a 20 C. ¿Cómo se compara la temperatura final de la arena con la temperatura final de la mezcla de arena y agua?
Solución:Primero, resuelva la fórmula de calor paraΔTpara obtener:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
Para la arena, entonces, obtienes el siguiente cambio de temperatura:
\ Delta T = \ frac {10,000} {1 \ times 840} = 11.9 \ text {grados}
Lo que da una temperatura final de 31,9 C.
Para la mezcla de arena y agua, es un poco más complicado. No se puede simplemente dividir la energía térmica en partes iguales entre el agua y la arena. Se mezclan, por lo que deben sufrir el mismo cambio de temperatura.
Si bien conoce la energía térmica total, no sabe cuánto obtiene cada uno al principio. DejarQsser la cantidad de energía del calor que recibe la arena yQwsea la cantidad de energía que recibe el agua. Ahora usa el hecho de queQ = Qs + Qwpara obtener lo siguiente:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
Ahora es sencillo resolverΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
Al agregar números, se obtiene:
\ Delta T = \ frac {10,000} {0.5 \ times 840 + 0.5 \ times 4,186} = 4 \ text {grados}
La mezcla solo sube 4 C, para una temperatura final de 24 C, ¡significativamente más baja que la arena pura!