1. Calor específico

Para calcular la cantidad de energía (calor) necesaria para cambiar la temperatura de un objeto, utilizamos la siguiente fórmula:

$$ E_q = m \cdot c_e \cdot \Delta T $$

Donde:

  • E_q = Energía térmica transferida (Julios, J)
  • m = Masa de la sustancia (kg)
  • c_e = Calor específico (J/kg·°C)
  • ΔT = Cambio de temperatura ($T_{final} - T_{inicial}$)

Calor específico ($c_e$)

Es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de una sustancia en 1°C.

Material$c_e$ (J/kg·°C)¿Por qué es importante?
Agua4.200¡Muy alto! Los océanos se mantienen frescos en verano.
Hielo2.100La mitad que el agua líquida.
Aluminio900Bueno para sartenes.
Vidrio840Aislante promedio.
Hierro450Se calienta rápidamente.
Plomo130Se calienta extremadamente rápido.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: ¿Cuánto calor se necesita para calentar 2 kg de agua de 20°C a 50°C? ($c_e = 4.200$ J/kg·°C)

1. Identificar datos: m = 2 kg, $c_e = 4.200$, ΔT = 50 - 20 = 30°C 2. Aplicar fórmula: $E_q = 2 \times 4.200 \times 30$ 3. Resultado: $E_q = 252.000 \text{ J}$

Ejemplo 2: Una barra de hierro de 0,5 kg se enfría de 100°C a 20°C. ¿Cuánto calor libera? ($c_e = 450$ J/kg·°C)

1. Identificar datos: m = 0,5 kg, $c_e = 450$, ΔT = 20 - 100 = -80°C 2. Aplicar fórmula: $E_q = 0,5 \times 450 \times (-80)$ 3. Resultado: $E_q = -18.000 \text{ J}$ (El signo negativo significa que la energía se pierde/libera)

¿Cómo se mide el calor específico de una sustancia?

2. Calor latente (cambios de fase)

Cambios de estado

Cuando una sustancia cambia de estado (como el hielo derritiéndose), absorbe calor sin cambiar su temperatura.

$$ E_q = m \cdot L $$
  • L = Calor latente (J/kg). Para la fusión del agua (derretimiento), $L = 334.000 \text{ J/kg}$.
Ejemplo 3: ¿Cuánto calor se necesita para derretir 2 kg de hielo a 0°C? ($L = 334.000$ J/kg)

1. Identificar datos: m = 2 kg, $L = 334.000$ 2. Aplicar fórmula: $E_q = 2 \times 334.000$ 3. Resultado: $E_q = 668.000 \text{ J}$

4. Cálculos combinados (varios pasos)

Cuando una sustancia debe calentarse hasta su punto de fusión antes de poder derretirse, o calentarse más después de derretirse, sumamos el calor de cada paso.

Ejemplo 4: Calcula el calor necesario para convertir 1 kg de hielo a -10°C en agua a 0°C ($c_{hielo} = 2.100$, $L_{fusión} = 334.000$).

1. Paso 1: Calentar el hielo hasta 0°C $E_q_1 = 1 \text{ kg} \times 2.100 \times (0 - (-10)) = 21.000 \text{ J}$ 2. Paso 2: Derretir el hielo a 0°C $E_q_2 = 1 \text{ kg} \times 334.000 = 334.000 \text{ J}$ 3. Total: $E_{q1} + E_{q2} = 21.000 + 334.000 = \textbf{355.000 J}$

Ejemplo 5: ¿Cuánto calor se necesita para convertir 0,2 kg de hielo a -10°C en agua a 50°C?

1. Paso 1: Calentar hielo a 0°C: $E_{q1} = 0,2 \times 2.100 \times 10 = 4.200 \text{ J}$ 2. Paso 2: Derretir hielo a 0°C: $E_{q2} = 0,2 \times 334.000 = 66.800 \text{ J}$ 3. Paso 3: Calentar agua a 50°C: $E_{q3} = 0,2 \times 4.200 \times 50 = 42.000 \text{ J}$ 4. Total: $4.200 + 66.800 + 42.000 = \textbf{113.000 J}$

1. El calor siempre fluye... (1 puntos)

2. ¿Por qué una cuchara de metal se siente más fría que una de madera a la misma temperatura ambiente? (1 puntos)

3. ¿Cómo llega el calor del Sol a la Tierra? (1 puntos)

4. En una corriente de convección, el fluido caliente asciende porque: (1 puntos)

5. ¿Qué representa el calor específico ($c_e$)? (1 puntos)

6. ¿Qué representa el calor latente ($L$)? (1 puntos)

7. ¿Qué sustancia requiere más energía para calentar 1 kg en 1°C? (1 puntos)

8. Durante un cambio de fase (por ejemplo, el hielo derritiéndose a 0°C), ¿qué sucede con la temperatura? (1 puntos)

9. ¿Cuánto calor se necesita para calentar 2 kg de agua de 20°C a 50°C? ($c_e = 4.200$ J/kg·°C) (1 puntos)

10. Una barra de hierro (m = 0,5 kg, $c_e = 450$ J/kg·°C) se enfría de 100°C a 20°C. ¿Cuánto calor libera? (1 puntos)

11. ¿Cuánto calor se necesita para calentar 3 kg de aluminio ($c_e = 900$ J/kg·°C) de 25°C a 85°C? (1 puntos)

12. ¿Cuánto calor se necesita para calentar 0,2 kg de plomo ($c_e = 130$ J/kg·°C) de 20°C a 120°C? (1 puntos)

13. Se añaden 9.000 J a 1 kg de hierro ($c_e = 450$ J/kg·°C). ¿En cuánto aumenta su temperatura? (1 puntos)

14. 42.000 J calientan una muestra de agua ($c_e = 4.200$ J/kg·°C) en 10°C. ¿Cuál es la masa del agua? (1 puntos)

15. 2 kg de agua a 100°C se enfrían a 20°C ($c_e = 4.200$ J/kg·°C). ¿Cuánto calor se libera? (1 puntos)

16. ¿Cuánto calor se necesita para derretir 2 kg de hielo a 0°C? ($L = 334.000$ J/kg) (1 puntos)

17. ¿Cuánto calor se libera cuando 0,5 kg de agua se congela a 0°C? ($L = 334.000$ J/kg) (1 puntos)

18. Se utilizan 1.002.000 J de calor para derretir hielo a 0°C ($L = 334.000$ J/kg). ¿Cuántos kilogramos se derritieron? (1 puntos)

19. ¿Cuánto calor total se necesita para convertir 0,1 kg de hielo a 0°C en agua a 20°C? ($L = 334.000$ J/kg, $c_e$(agua) = 4.200 J/kg·°C) (1 puntos)

20. Práctica de cálculo de $c_e$: (4 puntos)

a ) Calienta 0,5 kg de aluminio ($c_e = 900$ J/kg·°C) de 20°C a 60°C. E_q = _____J

b ) ¿Cuánto calor liberan 2 kg de agua ($c_e = 4.200$ J/kg·°C) al enfriarse de 80°C a 30°C? (número positivo) E_q = _____ J

c ) Una taza de vidrio (m = 0,3 kg, $c_e = 840$ J/kg·°C) se calienta de 15°C a 65°C. E_q = _____ J

d ) 50.400 J calientan 4 kg de hierro ($c_e = 450$ J/kg·°C). El aumento de temperatura es ΔT = _____ °C

21. Práctica de calor latente ($L$): (3 puntos)

a ) ¿Cuánto calor se necesita para derretir 3 kg de hielo a 0°C? ($L = 334.000$ J/kg) E_q = _____ J

b ) Se utilizan 835.000 J para derretir hielo a 0°C ($L = 334.000$ J/kg). ¿Cuántos kg se derritieron? m = _____ kg

c ) ¿Cuánto calor se libera cuando se congelan 1,5 kg de agua a 0°C? ($L = 334.000$ J/kg) E_q = _____ J

22. Paso a paso: 1 kg de hielo de -10°C a agua líquida a 0°C (3 puntos)

a ) Paso 1 — Calentar 1 kg de hielo de -10°C a 0°C ($c_e$(hielo) = 2.100 J/kg·°C). E_{q1} = _____ J

b ) Paso 2 — Derretir ese 1 kg de hielo a 0°C ($L = 334.000$ J/kg). E_{q2} = _____ J

c ) Calor total para ambos pasos. E_q(total) = _____ J

23. Paso a paso: 0,2 kg de hielo de -10°C a agua a 50°C (4 puntos)

a ) Paso 1 — Calentar 0,2 kg de hielo de -10°C a 0°C ($c_e$(hielo) = 2.100 J/kg·°C). E_{q1} = _____ J

b ) Paso 2 — Derretir 0,2 kg de hielo a 0°C ($L = 334.000$ J/kg). E_{q2} = _____ J

c ) Paso 3 — Calentar 0,2 kg de agua de 0°C a 50°C ($c_e$(agua) = 4.200 J/kg·°C). E_{q3} = _____ J

d ) Calor total para los tres pasos. E_{q(total)} = _____ J

24. Paso a paso: 0,5 kg de hielo de -20°C a agua a 40°C (4 puntos)

a ) Paso 1 — Calentar 0,5 kg de hielo de -20°C a 0°C ($c_e$(hielo) = 2.100 J/kg·°C). E_{q1} = _____ J

b ) Paso 2 — Derretir 0,5 kg de hielo a 0°C ($L = 334.000$ J/kg). E_{q2} = _____ J

c ) Paso 3 — Calentar 0,5 kg de agua de 0°C a 40°C ($c_e$(agua) = 4.200 J/kg·°C). E_{q3} = _____ J

d ) Calor total para los tres pasos. E_{q(total)} = _____ J