Si observa cómo la superficie de un estanque helado se derrite lentamente en una tarde de invierno atípicamente cálida, y observa cómo ocurre lo mismo en el superficie de un charco congelado de buen tamaño cercano, puede observar que el hielo en cada uno parece transformarse en agua aproximadamente al mismo Velocidad.
Pero, ¿qué pasaría si toda la luz del sol que cae sobre la superficie expuesta del estanque, tal vez un acre de tamaño, se enfocara simultáneamente en la superficie del charco?
Tu intuición probablemente te diga que no solo la superficie del charco se derretiría en agua muy rápidamente, sino que todo el charco podría incluso convertirse en vapor de agua casi instantáneamente, pasando por alto la fase líquida para convertirse en un agua gas. Pero, ¿por qué, desde el punto de vista de la ciencia física, debería ser así?
Es probable que esa misma intuición le diga que existe una relación entre el calor, la masa y el cambio de temperatura del hielo, el agua o ambos.
Da la casualidad de que este es el caso y la idea se extiende también a otras sustancias, cada una de las cuales tiene diferentes "resistencias" al calor, que se manifiestan en diferentes cambios de temperatura en respuesta a una cantidad determinada si se añade calor. Estas ideas se combinan para ofrecer los conceptos de
calor especifico y capacidad calorífica.¿Qué es el calor en física?
El calor es una de las aparentemente innumerables formas de la cantidad conocida como energía en física. La energía tiene unidades de fuerza multiplicada por la distancia, o newton-metros, pero generalmente se denomina julio (J). En algunas aplicaciones, la caloría, igual a 4,18 J, es la unidad estándar; en otros, la btu, o unidad temática británica, gobierna el día.
El calor tiende a "moverse" de áreas más cálidas a áreas más frías, es decir, a regiones en las que actualmente hay menos calor. Si bien el calor no se puede retener ni ver, los cambios en su magnitud se pueden medir a través de cambios en la temperatura.
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de un conjunto de moléculas, como un vaso de precipitados de agua o un recipiente de gas. Agregar calor aumenta esta energía cinética molecular y, por lo tanto, la temperatura, mientras que reducirla disminuye la temperatura.
¿Qué es la calorimetría?
¿Por qué un julio es igual a 4,18 calorías? Porque la caloría (cal), aunque no es la unidad SI de calor, se deriva de unidades métricas y es fundamental en cierto modo: es la cantidad de calor necesario para elevar un gramo de agua a temperatura ambiente en 1 K o 1 ° C. (Un cambio de 1 grado en la escala Kelvin es idéntico a un cambio de 1 grado en la escala Celsius; sin embargo, los dos están compensados por unos 273 grados, de modo que 0 K = 273,15 ° C.)
- La "caloría" en las etiquetas de los alimentos es en realidad una kilocaloría (kcal), lo que significa que una lata de 12 onzas de refresco azucarado contiene aproximadamente 150.000 calorías verdaderas.
La forma en que uno puede determinar tal cosa a través de la experimentación, usando agua o alguna otra sustancia, es colocando una masa determinada en un recipiente, agregue una cantidad determinada de calor sin permitir que ninguna sustancia o calor escape del ensamblaje, y mida el cambio en temperatura.
Como conoce la masa de la sustancia y puede asumir que el calor y la temperatura son uniformes en todo momento, puede determinar por división simple cuánto calor cambiaría una cantidad unitaria, como 1 gramo, por el mismo temperatura.
Explicación de la ecuación de capacidad calorífica
La fórmula de la capacidad calorífica se presenta en varias formas, pero todas equivalen a la misma ecuación básica:
Q = mCΔT
Esta ecuación simplemente establece que el cambio en el calor Q de un sistema cerrado (líquido, gas o sólido material) es igual a la masa m de la muestra multiplicada por el cambio de temperatura ΔT multiplicado por un parámetro C llamada capacidad calorífica específica, o solo calor especifico. Cuanto mayor sea el valor de C, más calor puede absorber un sistema mientras mantiene el mismo aumento de temperatura.
¿Qué es la capacidad calorífica específica?
La capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un objeto en una cierta cantidad (generalmente 1 K), por lo que las unidades SI son J / K. El objeto puede ser uniforme o puede no serlo. Sería posible determinar aproximadamente la capacidad calorífica de una mezcla de sustancias como el lodo si conocía su masa y midió su cambio de temperatura en respuesta a calentarla en un dispositivo sellado de algún clasificar.
Una cantidad más útil en química, física e ingeniería es capacidad calorífica específica C, medido en unidades de calor por unidad de masa. Las unidades de capacidad calorífica específica suelen ser joules por gramo-kelvin, o J / g⋅K, aunque el kilogramo (kg) es la unidad de masa del SI. Una razón por la que el calor específico es útil es que si tiene una masa conocida de una sustancia uniforme y conoce su calor capacidad, puede juzgar su idoneidad para servir como un "disipador de calor" para evitar riesgos de incendio en ciertos experimentos situaciones.
En realidad, el agua tiene una capacidad calorífica muy alta. Considerando que el cuerpo humano debe ser capaz de tolerar la suma o resta de cantidades significativas de calor gracias a la En condiciones variables, este sería un requisito básico de cualquier entidad biológica que esté compuesta principalmente de agua, ya que casi todos los seres vivos de tamaño considerable. las cosas son.
Capacidad calorífica vs. Calor especifico
Imagine un estadio deportivo con capacidad para 100.000 personas y otro al otro lado de la ciudad con capacidad para 50.000 personas. De un vistazo, está claro que la "capacidad de asientos" absoluta del primer estadio es el doble que la del segundo. Pero también imagina que el segundo estadio está construido de tal manera que ocupa solo un cuarto del volumen del primero.
Si haces álgebra, encontrarás que el estadio más pequeño tiene capacidad para el doble de personas. por unidad de espacio como el más grande, dándole el doble del valor de "asiento específico".
En esta analogía, piense en los espectadores individuales como unidades de calor de idéntica magnitud, que entran y salen del estadio. Mientras que el estadio más grande puede contener el doble de "calor" en general, el estadio más pequeño en realidad tiene el doble de capacidad para "almacenar" esta versión de "calor" por unidad de espacio.
Si se supone que cada sección del mismo tamaño de ambos estadios produce la misma cantidad de basura después del juego cuando está llena, Independientemente de cuántas personas contenga, el más pequeño será el doble de efectivo para reducir la basura. de individual público; Piense en esto como dos veces más resistente a los aumentos de temperatura por unidad de calor agregada.
A partir de esto, puede ver que si dos objetos con el mismo calor específico tienen masas diferentes, el más grande tendrá una capacidad calorífica mayor en una cantidad que escala con la masa más grande. Al comparar objetos de diferentes masas y diferentes calores específicos, la situación se vuelve más compleja.
Ejemplo de cálculo de capacidad calorífica específica
El cobre metálico tiene un calor específico de 0,386 J / g⋅K. ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 1 kg (1,000 go 2.2 libras) de cobre de 0 ° C a 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1.000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.
Cuál es el capacidad calorífica de este trozo de cobre? Necesita 38,600 J para elevar toda la masa en 100 K, por lo que necesitaría 1/100 de esto para empujarla hacia arriba en 1 K. Por tanto, la capacidad calorífica del cobre en este tamaño es de 386 J.