5.9: Capacidad calorífica específica del agua

El sistema climático mundial no responde plena e inmediatamente al forzamiento aplicado externamente. Este tiempo de rezago ha permitido que el debate sobre el efecto de las actividades humanas en el clima se prolongue más de lo que hubiera tenido si todo lo que hicimos se notara instantáneamente. Por ejemplo, cuando se agrega cierta cantidad de CO ₂ extra a la atmósfera, los efectos de calentamiento en el aire, la tierra y el océano tardan algún tiempo en realizarse por completo. Aunque hubiera una manera de agregar calor directamente a la Tierra, aún tardaría tiempo para que aumentaran las temperaturas que medimos. En esta actividad, realizaremos un experimento sencillo para observar la capacidad calorífica específica del agua. Al hacerlo, podremos obtener una idea sobre el tiempo de retraso de la respuesta del sistema climático al forzamiento externo.

La capacidad calorífica específica (C _p) del agua líquida a temperatura y presión ambiente es de aproximadamente 4.2 J/g°C, lo que significa que se necesitan 4.2 julios de energía para elevar 1 gramo (o 1 mililitro si prefieres pensar en el volumen equivalente de 1 gramo de agua) de agua en 1 grado Celsius. Esto en realidad es bastante grande. La capacidad calorífica específica del vapor de agua a temperatura ambiente también es mayor que la de la mayoría de los otros materiales. Aquí hay una tabla de las capacidades térmicas específicas de varios materiales:

Capacidad calorífica específica de una variedad de materiales terrestres

Material	\ mathbf {C} _ {\ mathrm {p}}\ izquierda (\ mathrm {J}/\ mathrm {g} ^ {\ circ}\ mathrm {C}\ derecha)
agua líquida	4.2
aire	1.0
vapor de agua	1.9
granito	0.8
madera	1.7
hierro	0.0005

Tenga en cuenta que ninguno de los otros materiales enumerados anteriormente se acerca a la capacidad del agua para absorber calor. (Alerta Nitpicker: El agua no tiene la capacidad calorífica más alta conocida. La capacidad calorífica del gas hidrógeno puro a temperatura ambiente es de 14.3 J/g°C, según el Manual de Química y Física del CRC. Sin embargo, Pure H ₂ no es un gran jugador en el sistema climático de la Tierra).

El alto C _p de agua es la razón por la que “¡una olla vigilada nunca hierve!” Esta es también la razón principal por la que el clima es lento para responder a los cambios externos. Es una suerte para nosotros que el océano tenga la capacidad de absorber mucho calor antes de que su temperatura suba apreciablemente. La otra cara de esto es que una vez que se elimina una fuente externa de energía, el océano es igualmente lento para responder. Su temperatura no empezará a disminuir enseguida. En la siguiente actividad, observaremos este fenómeno.

¡Laboratorio de diversión opcional! : Capacidad calorífica específica del experimento de laboratorio de agua

El clima mundial no responde inmediatamente a los forzamientos externos aplicados por la actividad humana. Una forma sencilla de mostrar por qué esto es así es hacer algunas observaciones simples sobre la capacidad calorífica del agua.

Materiales

Estos son los materiales que necesitas para este laboratorio: agua, una olla, un termómetro, una estufa u otra fuente de calor, un reloj u otro temporizador.

Direcciones

1. Mida un volumen de agua (puede elegir el volumen) en su olla.
2. Mida la temperatura inicial del agua.
3. Pon la olla en la estufa y enciende la estufa (puedes elegir qué tan alto subir, pero mantener el nivel constante)
4. Mida la temperatura del agua a intervalos regulares. Depende de usted decidir con qué frecuencia necesita realizar mediciones.
5. Cuando el agua hierva, anote la hora y retire la olla del fuego.
6. Continuar realizando mediciones regulares de la temperatura del agua hasta que se enfríe nuevamente a la temperatura inicial del paso 2.
7. Ahora elige una variable experimental, como el volumen inicial de agua en la olla, el tipo de olla, qué tan alto encender la estufa. Cambia esta variable y repite el experimento. Cambia esta misma variable al menos una vez más y vuelve a hacer el experimento.

Responde las siguientes preguntas:

1. Traza tus datos para cada experimento.
2. ¿Cuánto tiempo tardó cada olla de agua en hervir?
3. ¿Cuánto tiempo tardó cada uno en volver a enfriarse?
4. El globo ocular es una función de mejor ajuste a los datos de calentamiento del agua para cada experimento. ¿Qué aspecto tienen estas funciones (lineales? curvo? ¿podrías escribir una ecuación para describirlas?) ¿Qué indican las formas de estas funciones? ¿Fueron afectados por los cambios que hiciste entre experimentos?
5. El globo ocular es una función de mejor ajuste a los datos de enfriamiento de agua para cada experimento. ¿Qué aspecto tienen estas funciones? ¿Todos son similares entre sí? ¿Tienen la misma forma que las funciones de calentamiento del agua? Discuta por qué o por qué no.
6. Describa qué variable experimental cambió y cómo el cambio que realizó afectó sus resultados.
7. Especular sobre lo que hubiera pasado si hubiera elegido una variable experimental diferente para cambiar. Predice cómo cambiar esa otra variable experimental habría cambiado tus resultados.
8. ¿Cómo podrías mejorar este diseño experimental?

Nota:

Esto es opcional, así que no hay nada que entregar para esta tarea, pero este es un experimento bastante simple e instructivo, ¡así que pruébalo si tienes la oportunidad!

Ver mi parcela a continuación de dos experimentos en los que varié el volumen inicial de agua en la olla. ¡Tenga en cuenta cuánto tiempo tarda el agua en volver a la temperatura inicial después de hervir!

Figura 5.9: Hervir y Enfriar el Agua

Haga clic para obtener una descripción de texto de la Figura 5.9.

Tiempo vs. temperatura para 2 tazas (azul) y 4 tazas (verde) de agua en una cacerola abierta en una estufa de gas. Durante cada experimento, la estufa se encendió a la configuración “media” y se dejó ahí hasta que el agua hirvió, momento en el que la estufa se apagó durante la duración del experimento.