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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? |
|---|---|---|
| Agua | 4.200 | ¡Muy alto! Los océanos se mantienen frescos en verano. |
| Hielo | 2.100 | La mitad que el agua líquida. |
| Aluminio | 900 | Bueno para sartenes. |
| Vidrio | 840 | Aislante promedio. |
| Hierro | 450 | Se calienta rápidamente. |
| Plomo | 130 | Se 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)
- Identificar datos: m = 2 kg, \(c_e = 4.200\), ΔT = 50 - 20 = 30°C
- Aplicar fórmula: \(E_q = 2 \times 4.200 \times 30\)
- 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)
- Identificar datos: m = 0,5 kg, \(c_e = 450\), ΔT = 20 - 100 = -80°C
- Aplicar fórmula: \(E_q = 0,5 \times 450 \times (-80)\)
- 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)
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)
- Identificar datos: m = 2 kg, \(L = 334.000\)
- Aplicar fórmula: \(E_q = 2 \times 334.000\)
- 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 (\(c_{hielo} = 2.100\), \(L_{fusión} = 334.000\)).
- Paso 1: Calentar el hielo hasta 0°C
- Paso 2: Derretir el hielo a 0°C
- 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?
- Paso 1: Calentar hielo a 0°C: \(E_{q1} = 0,2 \times 2.100 \times 10 = 4.200 \text{ J}\)
- Paso 2: Derretir hielo a 0°C: \(E_{q2} = 0,2 \times 334.000 = 66.800 \text{ J}\)
- Paso 3: Calentar agua a 50°C: \(E_{q3} = 0,2 \times 4.200 \times 50 = 42.000 \text{ J}\)
- Total: \(4.200 + 66.800 + 42.000 = \textbf{113.000 J}\)