7.2: Calor Específico y Capacidad de Calor Latente del Agua
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Calor Específico y Capacidad de Calor Latente del Agua
Calor Específico
Los materiales varían en su capacidad para almacenar energía térmica. Por ejemplo, un material como el cobre se calentará mucho más rápido que el agua o la madera. El Calor Específico es una medida de la energía requerida para calentar 1 gramo de sustancia 1° C. El calor específico se registra en "calorías” para “masa en gramos” (y “Julios por kg”).
La Figura 7.11 compara el calor específico de varios metales con el calor específico del hielo, el agua y el vapor. Se necesita significativamente más energía para calentar el agua que otros materiales, incluyendo hielo y vapor. Debido a la alta capacidad calorífica específica del agua, los océanos son capaces de almacenar grandes cantidades de energía de la calefacción solar. El calor absorbido en las regiones ecuatoriales puede ser transportado largas distancias y transportado por las corrientes oceánicas antes de ser liberado en regiones polares.
Figura 7.11. Comparación del calor específico de diversas sustancias con hielo, vapor y agua líquida.
Alta capacidad calorífica latente del agua
Cuando cualquier material se calienta a la temperatura donde cambia de estado (convirtiendo de sólido a líquido, o líquido a gas), la temperatura permanecerá igual hasta que todo el material cambie de estado. Debido a que se necesita más energía para convertir una sustancia de un estado físico a otro (sólido a líquido o líquido a gas), esas transiciones requieren una mayor cantidad de energía. El calor latente es el calor requerido (medido en calorías quemadas) para convertir un sólido en un líquido o vapor, o un líquido en vapor, sin cambio de temperatura. Por ejemplo, una olla llena de agua en la estufa se calentará gradualmente hasta que la temperatura del agua se acerque a 212° F (o 100° C) —permanecerá a esa temperatura hasta que toda el agua se haya evaporado. Lo mismo es cierto que el agua se congela. A medida que el agua se enfría alcanzará los 32°F (o 0° C) se mantendrá a esa temperatura hasta que toda el agua se congele (Figura 7.12).
| Para convertir 1 gramo de hielo a 0° C en 1 gramo de agua a 0° C se requieren 80 calorías. |
| Para convertir 1 gramo de agua a 100° C en 1 gramo de vapor a 100° C se requieren 540 calorías. |
Cuando cualquier material se calienta a la temperatura donde cambia de estado, la temperatura permanecerá igual hasta que todo el material cambie de estado. Eso significa que el agua helada permanecerá a 0° C (32° F) hasta que todo el hielo se derrita. Lo mismo se aplica al enfriar los materiales. El motivo es que se debe gastar energía para cambiar el estado de sólido a líquido o de líquido a gas. De igual manera, se debe retirar energía para cambiar el estado al enfriar el material. La cantidad de energía requerida se llama el calor latente de congelación o ebullición.
Figura 7.12. Diagrama que muestra el calor requerido para calentar el agua del hielo sólido al agua líquida y al vapor (vapor). ¡Se necesita tanto calor específico como calor latente, liberados por etapas, para convertir el hielo en vapor!
Calor Específico y Capacidad de Calor Latente de Hielo, Agua y Vapor Ilustrado: (usando las tablas listadas arriba)
Ejemplo: ¿Cuánta energía requeriría para calentar 100 gramos de hielo a -10° C para vaporizar a 120° C?
| Proceso de cálculo: | Energía requerida: |
| Para elevar 100 gramos de hielo a -10° C a 0° C se requiere: (0.5 cal/g [calor específico de hielo] x 10° C x 100 gramos) |
500 calorías |
| Para convertir 100 gramos de hielo en agua a -0° C se requiere: (80 cal/g [conversión de calor latente] x 100 gramos) |
8,000 calorías |
| Para elevar 100 gramos de agua de 0° C a 100° C se requiere: (1.0 cal/g [calor específico del agua] x 100° C x 100 gramos) |
10,000 calorías |
| Para convertir 100 gramos de agua en vapor a 100° C se requiere: (540 cal/g [conversión de calor latente] x 100 gramos) |
54,000 calorías |
| Para elevar 100 gramos de vapor a 100° C a 120° C se requiere: (0.5 cal/g [calor específico de vapor] x 20° C x 100 gramos) |
1,000 calorías |
| Energía total requerida: | 73, 500 calorías |