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LibreTexts Español

5.1: Conceptos básicos de la energía

  • Page ID
    1827
  • habilidades para desarrollar

    • Definir la energía, distinguir tipos de energía y describir la naturaleza de los cambios de energía que acompañan a los cambios físicos y químicos.
    • Distinguir las propiedades relacionadas con el calor, la energía térmica y la temperatura.
    • Definir y distinguir el calor específico y la capacidad térmica, y describir las implicaciones físicas de ambos.
    • Hacer cálculos que involucren calor, calor específico, y cambio de temperatura.

    Los cambios químicos y los cambios en la energía que los acompañan son partes importantes de nuestro mundo cotidiano (Figura \(\PageIndex{1}\)). Los macronutrientes en los alimentos (proteínas, grasas, y carbohidratos) experimentan reacciones metabólicas que dan la energía para mantener nuestros cuerpos funcionado. Quemamos una variedad de combustibles (gasolina, gas natural, carbón) para producir energía para el transporte, la calefacción y la generación de la electricidad. Las reacciones químicas industriales usan enormes cantidades de energía para producir materias primas (como el hierro y el aluminio). La energía se usa para fabricar esas materias primas en productos útiles, como automóviles, rascacielos, y puentes.

    Three pictures are shown and labeled a, b, and c. Picture a is a cheeseburger. Picture b depicts a highway that is full of traffic. Picture c is a view into an industrial metal furnace. The view into the furnace shows a hot fire burning inside.

    Figura \(\PageIndex{1}\): La energía involucrada en los cambios químicos es importante para nuestra vida diaria: (a) Una hamburguesa con queso para el almuerzo da la energía necesaria para pasar el resto del día; (b) la combustión de la gasolina da la energía que mueve su automóvil (y usted) entre a el hogar, el trabajo y la escuela; y (c) la coca, una forma procesada de carbón, proporciona la energía necesaria para convertir el mineral de hierro en hierro, que es esencial para hacer muchos de los productos que usamos cada día. (Crédito a: modificación del trabajo por "Pink Sherbet Photography" / Flickr; crédito b: modificación del trabajo por Jeffery Turner).

    Más del 90% de la energía que usamos viene originalmente del sol. Todos los días, el sol le da la Tierra casi 10,000 veces la cantidad de energía necesaria para satisfacer todas las necesidades energéticas del mundo para ese día. Nuestro desafío es encontrar maneras de convertir y almacenar la energía solar para que se pueda usar en reacciones o procesos químicos que sean convenientes y no contaminantes. Las plantas y muchas bacterias capturan la energía solar a través de la fotosíntesis. Soltamos la energía almacenada en las plantas cuando quemamos madera o productos vegetales como el etanol. También usamos esta energía para alimentar nuestros cuerpos al comer alimentos que vienen directamente de las plantas o de los animales que obtuvieron su energía al comer plantas. La quema del carbón y el petróleo también suelta energía solar almacenada: estos combustibles son materia vegetal y animal fosilizada.

    Este capítulo presentará las ideas básicas de un área importante de la ciencia relacionada con la cantidad de calor absorbido o suelto durante los cambios químicos y físicos, un área llamada termoquímica. Los conceptos introducidos en este capítulo son ampliamente usados en casi todos los campos científicos y técnicos. Los científicos de alimentos los usan para determinar el contenido de energía de los alimentos. Los biólogos estudian la energética de los organismos vivos, como la combustión metabólica del azúcar en el dióxido de carbono y el agua. Las industrias del petróleo, el gas y el transporte, los proveedores de energía renovable y muchos otros se esfuerzan por encontrar mejores métodos para producir energía para nuestras necesidades comerciales y personales. Los ingenieros se esfuerzan por mejorar la eficiencia energética, encontrar mejores formas de calentar, y enfriar nuestros hogares, refrigerar nuestros alimentos y bebidas, y satisfacer las necesidades de energía y refrigeración de computadoras y productos electrónicos, entre otras aplicaciones. Comprender los principios termoquímicos es esencial para los químicos, físicos, biólogos, geólogos, todo tipo de ingenieros y casi cualquier persona que estudia la ciencia.

    La energía

    La energía se puede definir como la capacidad de suministrar el calor o hacer trabajo. Un tipo de trabajo (w) es el proceso de causar que la materia se mueva contra una fuerza opuesta. Por ejemplo, hacemos trabajo cuando inflamos un neumático de bicicleta: movemos la materia (el aire en la bomba) contra la fuerza opuesta que rodea el neumático.

    Como la materia, la energía viene en varias formas. Un esquema clasifica la energía en dos tipos: energía potencial, la energía que un objeto tiene por su posición relativa, composición o condición, y la energía cinética, la energía que un objeto tiene por su movimiento. El agua en la parte superior de una cascada o presa tiene energía potencial por su posición; cuando fluye hacia abajo a través de los generadores, tiene energía cinética que se puede usar para hacer trabajo y producir electricidad en una planta hidroeléctrica (Figura \(\PageIndex{2}\)). Una batería tiene energía potencial porque los productos químicos que contiene pueden producir electricidad que puede hacer trabajo.

    Two pictures are shown and labeled a and b. Picture a shows a large waterfall with water falling from a high elevation at the top of the falls to a lower elevation. The second picture is a view looking down into the Hoover Dam. Water is shown behind the high wall of the dam on one side and at the base of the dam on the other.

    Figura \(\PageIndex{2}\): (a) El agua en una elevación alta, por ejemplo, en la cima de las Cataratas Victoria, tiene una energía potencial más alta que el agua en una elevación más baja. Cuando el agua caí, parte de su energía potencial se convierte en energía cinética. (b) Si el agua fluye a través de generadores en el fondo de una presa, como la Presa Hoover que se muestra aquí, su energía cinética se convierte en energía eléctrica. (Crédito a: modificación del trabajo de Steve Jurvetson; Crédito b: modificación del trabajo de “Curimedia” / Wikimedia commons).

    La energía se puede convertir de una forma a otra, pero toda la energía presente antes de que pase un cambio siempre existe de alguna forma una vez que se completa el cambio. Esta observación se expresa en la ley de conservación de la energía: durante un cambio químico o físico, la energía no se puede crear ni destruir, aunque si se puede cambiar de forma. (Esta es también una versión de la primera ley de la termodinámica, como aprenderá más adelante).

    Cuando una sustancia se convierte en otra sustancia, siempre hay una conversión asociada de una forma de energía en otra. El calor generalmente se suelta o se absorbe, pero a veces la conversión involucra la luz, la energía eléctrica o alguna otra forma de energía. Por ejemplo, la energía química (un tipo de energía potencial) se almacena en las moléculas que componen la gasolina. Cuando la gasolina se quema dentro de los cilindros del motor de un automóvil, los productos gaseosos, que expanden rápidamente, de esta reacción química generan energía mecánica (un tipo de energía cinética) cuando mueven los pistones de los cilindros.

    De acuerdo con la ley de conservación de la materia (aprendida en un capítulo anterior), no hay un cambio detectable en la cantidad total de materia durante un cambio químico. Cuando ocurren reacciones químicas, los cambios de energía son relativamente modestos y los cambios de masa son demasiado pequeños para medirlos, por eso las leyes de conservación de la materia y la energía se mantienen verdaderas. Sin embargo, en las reacciones nucleares, los cambios de energía son mucho más grandes (por un millón de factores aproximadamente), los cambios de masa son medibles y las conversiones de materia-energía son significativas. Esto se examinará con más detalle en un capítulo que sigue sobre la química nuclear. Para abarcar los cambios tanto químicos como nucleares, combinamos estas leyes en una sola declaración: la cantidad total de la materia y la energía en el universo es fija.

    La energía térmica, la temperatura, y el calor

    La energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. La temperatura es una medida cuantitativa de "caliente" o "frío". Cuando los átomos y las moléculas de un objeto se mueven o vibran rápidamente, tienen una energía cinética (KE) promedio más alta y decimos que el objeto está "caliente". Cuando los átomos y las moléculas se mueven despacio, tienen una energía cinética más baja y decimos que el objeto está "frío" (Figura \(\PageIndex{3}\)). Suponiendo que no haya una reacción química o un cambio de fase (como la fusión o la vaporización), aumentando la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura suba. Y, suponiendo que no haya una reacción química o un cambio de fase (como la condensación o la congelación), disminuir la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura baje.

    'Two molecular drawings are shown and labeled a and b. Drawing a is a box containing fourteen red spheres that are surrounded by lines indicating that the particles are moving rapidly. This drawing has a label that reads “Hot water.” Drawing b depicts another box of equal size that also contains fourteen spheres, but these are blue. They are all surrounded by smaller lines that depict some particle motion, but not as much as in drawing a. This drawing has a label that reads “Cold water.”

    Figura \(\PageIndex{3}\): (a) Las moléculas en una muestra de agua caliente se mueven más rápidamente que (b) las de en una muestra de agua fría.

    La mayoría de las sustancias se expanden cuando sube su temperatura y se contraen cuando baja su temperatura. Esta propiedad se puede usar para medir los cambios de temperatura, como se muestra en la Figura \(\PageIndex{4}\). El funcionamiento de muchos termómetros depende de la expansión y la contracción de las sustancias en respuesta a los cambios de temperatura.

    A picture labeled a is shown as well as a pair of drawings labeled b. Picture a shows the lower portion of an alcohol thermometer. The thermometer has a printed scale to the left of the tube in the center that reads from negative forty degrees at the bottom to forty degrees at the top. It also has a scale printed to the right of the tube that reads from negative thirty degrees at the bottom to thirty five degrees at the top. On both scales, the volume of the alcohol in the tube reads between nine and ten degrees. The two images labeled b both depict a metal strip coiled into a spiral and composed of brass and steel. The left coil, which is loosely coiled, is labeled along its upper edge with the 30 degrees C and 10 degrees C. The end of the coil is near the 30 degrees C label. The right hand coil is much more tightly wound and the end is near the 10 degree C label.       

    Figura \(\PageIndex{4}\): (a) En un termómetro de alcohol o mercurio, el líquido (de color rojo para visibilidad) se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría, mucho más que el tubo de vidrio que contiene el líquido. (b) En un termómetro bimetálico, dos metales diferentes (como el latón y el acero) forman una tira de dos capas. Cuando se calienta o se enfría, uno de los metales (latón) se expande o contrae más que el otro metal (acero), esto hace que la tira se enrolle o desenrolle. Ambos tipos de termómetros tienen una escala calibrada que indica la temperatura. (Crédito a: modificación del trabajo por "dwstucke" / Flickr). (c) La demostración le permite ver los efectos de calentar y enfriar una tira bimetálica enrollada. Una bobina bimetálica de un termómetro reacciona al calor de un encendedor, desenrollando y luego enrollando nuevamente cuando se quita el encendedor. Animación usada con permiso de Hustvedt (a través de Wikipedia)

    El calor (q) es la transferencia de energía térmica entre dos cosas a diferentes temperaturas. El flujo de calor (un término redundante, pero esta comúnmente usado) aumenta la energía térmica de una cosa y disminuye la energía térmica del otro. Supongamos que inicialmente tenemos una sustancia de alta temperatura (y alta energía térmica) (H) y una sustancia de baja temperatura (y baja energía térmica) (L). Los átomos y moléculas en H tienen un KE promedio más alto que los de L. Si ponemos la sustancia H en contacto con la sustancia L, la energía térmica fluirá espontáneamente de la sustancia H a la sustancia L. La temperatura de la sustancia H bajará, al igual que el KE promedio de sus moléculas; la temperatura de la sustancia L aumentará, junto con el KE promedio de sus moléculas. El flujo de calor continuará hasta que las dos sustancias estén a la misma temperatura (Figura \(\PageIndex{5}\)).

    Three drawings are shown and labeled a, b, and c, respectively. The first drawing labeled a depicts two boxes, with a space in between and the pair is captioned “Different temperatures.” The left hand box is labeled H and holds fourteen well-spaced red spheres with lines drawn around them to indicate rapid motion. The right hand box is labeled L and depicts fourteen blue spheres that are closer together than the red spheres and have smaller lines around them showing less particle motion. The second drawing labeled b depicts two boxes that are touching one another. The left box is labeled H and contains fourteen maroon spheres that are spaced evenly apart. There are tiny lines around each sphere depicting particle movement. The right box is labeled L and holds fourteen purple spheres that are slightly closer together than the maroon spheres. There are also tiny lines around each sphere depicting particle movement. A black arrow points from the left box to the right box and the pair of diagrams is captioned “Contact.” The third drawing labeled c, is labeled “Thermal equilibrium.” There are two boxes shown in contact with one another. Both boxes contain fourteen purple spheres with small lines around them depicting moderate movement. The left box is labeled H and the right box is labeled L.

    Figura \(\PageIndex{5}\): (a) Las sustancias H y L están inicialmente a diferentes temperaturas, y sus átomos tienen diferentes energías cinéticas promedio. (b) Cuando se ponen en contacto, las colisiones entre las moléculas resultan en la transferencia de energía cinética (térmica) de la materia más caliente a la más fría. (c) Los dos objetos alcanzan el "equilibrio térmico" cuando ambas sustancias están a la misma temperatura y sus moléculas tienen la misma energía cinética promedio.

    La materia que pasa por reacciones químicas y cambios físicos puede soltar o absorber el calor. Un cambio que suelta calor se llama un proceso exotérmico. Por ejemplo, la reacción de combustión que se produce cuando se usa una antorcha de oxiacetileno es un proceso exotérmico, este proceso también suelta energía en la forma de luz como lo demuestra la llama de la antorcha (Figura \(\PageIndex{6a}\)). Una reacción o cambio que absorbe el calor es un proceso endotérmico. Una compresa fría usada para tratar las distensiones musculares es un ejemplo de un proceso endotérmico. Cuando las sustancias en la compresa fría (el agua y una sal como el nitrato de amonio) se juntan, el proceso resulta en la absorción del calor, lo que provoca la sensación de frío.

    Two pictures are shown and labeled a and b. Picture a shows a metal railroad tie being cut with the flame of an acetylene torch. Picture b shows a chemical cold pack containing ammonium nitrate.

    Figura \(\PageIndex{6}\):(a) Una antorcha de oxiacetileno produce calor por la combustión de el acetileno en el oxígeno. La energía suelta por esta reacción exotérmica se calienta y luego derrite el metal que se está cortando. Las chispas son pequeños trozos de metal fundido que vuelan. (b) Una compresa fría usa un proceso endotérmico para crear la sensación de frío. (Crédito a: modificación del trabajo de "Skatebiker" / Wikimedia commons).

    La medición de la energía y la capacidad del calor

    Históricamente, la energía se medía en unidades de calorías (cal). Una caloría es la cantidad de energía requerida para aumentar un gramo de agua a 1 grado C (1 kelvin). Sin embargo, esta cantidad depende de la presión atmosférica y la temperatura de inicio del agua. La facilidad de medición de los cambios de energía en calorías ha hecho que las calorías todavía se usen con frecuencia. La caloría (con una C mayúscula), o una gran cantidad de calorías, comúnmente usada para cuantificar el contenido de energía de los alimentos, es una kilocaloría. La unidad SI de calor, trabajo y energía es el joule. Un joule (J) se define como la cantidad de energía usada cuando una fuerza de 1 newton mueve un objeto 1 metro. Se nombra en honor del físico inglés James Prescott Joule. Un joule es equivalente a 1 kg m2/ s2, que también se llama 1 newton-metro. Un kilojoule (kJ) es 1000 julios. Para estandarizar su definición, 1 caloría se ha establecido a ser 4.184 julios.

    Ahora presentamos dos conceptos útiles para describir el flujo de calor y el cambio de temperatura. La capacidad de calor (C) de una materia es la cantidad de calor (q) que se absorbe o suelte cuando experimenta un cambio de temperatura (ΔT) de 1 grado Celsius (o equivalentemente, 1 kelvin)

    \[C=\dfrac{q}{ΔT} \label{5.2.1}\]


    La capacidad de calor está determinada por el tipo y la cantidad de sustancia que absorbe o suelte calor. Por lo tanto, es una propiedad extensa, su valor es proporcional a la cantidad de la sustancia.

    Por ejemplo, considere las capacidades de calor de dos sartenes de hierro fundido. La capacidad de calor de la sartén grande es cinco veces más grande que la de la sartén pequeña porque, aunque ambas están hechas del mismo material, la masa de la sartén grande es cinco veces más que la masa de la sartén pequeña. Más masa significa que hay más átomos presentes en el recipiente más grande, por eso se necesita más energía para que todos esos átomos vibren más rápido. La capacidad térmica de la sartén pequeña de hierro fundido se encuentra al observar que se necesitan 18.150 J de energía para que la temperatura de la sartén suba a 50.0 ° C

    \[C_{\text{small pan}}=\mathrm{\dfrac{18,140\; J}{50.0\; °C} =363\; J/°C} \label{5.2.2}\]

    La sartén de hierro fundido más grande, aunque está hecha de la misma sustancia, requiere 90.700 J de energía para que su temperatura suba a 50.0 ° C. El recipiente más grande tiene una capacidad de calor (proporcionalmente) más grande porque la cantidad más grande de material requiere una mayor cantidad (proporcionalmente) de energía para producir el mismo cambio de temperatura:

    \[C_{\text{large pan}}=\mathrm{\dfrac{90,700\; J}{50.0\;°C}=1814\; J/°C} \label{5.2.3}\]

    La capacidad calorífica específica (c) de una sustancia, comúnmente llamada "calor específico", es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 grado Celsius (o 1 kelvin):

    \[c = \dfrac{q}{\mathrm{m\Delta T}} \label{5.2.4}\]

    La capacidad de calor específica depende solo del tipo de sustancia que absorbe o suelte el calor. Es una propiedad intensiva: lo que importa es el tipo, pero no la cantidad, de la sustancia. Por ejemplo, la pequeña sartén de hierro fundido tiene una masa de 808 g. El calor específico del hierro (el material usada para hacer la sartén) es:

    \[c_\ce{iron}=\mathrm{\dfrac{18,140\; J}{(808\; g)(50.0\;°C)} = 0.449\; J/g\; °C} \label{5.2.5}\]

    La sartén grande tiene una masa de 4040 g. Usando los datos para esta sartén, también podemos calcular el calor específico del hierro:

    \[c_\ce{iron}=\mathrm{\dfrac{90,700\; J}{(4,040\; g)(50.0\;°C)}=0.449\; J/g\; °C} \label{5.2.6}\]

    Aunque la sartén grande es más masiva que la sartén pequeña, ya que ambas están hechas del mismo material, ambas producen el mismo valor de calor específico (para el material de construcción, el hierro). Tenga en cuenta que el calor específico se mide en unidades de energía por temperatura por masa y es una propiedad intensiva, que se deriva de una relación de dos propiedades extensivas (calor y masa). La capacidad calorífica molar, también una propiedad intensiva, es la capacidad calorífica por mol de una sustancia en particular y tiene unidades de J / mol ° C (Figura \(\PageIndex{7}\)).

    The picture shows two black metal frying pans sitting on a flat surface. The left pan is about half the size of the right pan.

    Figura \(\PageIndex{7}\): Debido a su masa más grande, una sartén grande tiene una capacidad de calor más grande que una sartén pequeña. Debido a que están hechos del mismo material, ambas sartenes tienen el mismo calor específico. (Crédito: Mark Blaser).

    El agua líquida tiene un calor específico relativamente alto (aproximadamente 4.2 J/g°C); la mayoría de los metales tienen calores específicos mucho más bajos (generalmente menos de 1 J/g°C). El calor específico de una sustancia varía con la temperatura. Sin embargo, esta variación es lo suficientemente pequeña como para que tratemos el calor específico como constante en el rango de temperaturas que se considerarán en este capítulo. Los calores específicos de algunas sustancias comunes se listan en la Tabla \(\PageIndex{1}\).

    Tabla \(\PageIndex{1}\): Calor específico de sustancias comunes a 25°C y 1 bar
    Sustancia Símbolo (estado) Calor Específico (J/g°C)
    helio He(g) 5.193
    agua H2O(l) 4.184
    etanol C2H6O(l) 2.376
    hielo H2O(s) 2.093 (a −10 °C)
    vapor de agua H2O(g) 1.864
    nitrógeno N2(g) 1.040
    aire   1.007
    oxígeno O2(g) 0.918
    aluminio Al(s) 0.897
    dióxido de carbono CO2(g) 0.853
    argón Ar(g) 0.522
    hierro Fe(s) 0.449
    cobre Cu(s) 0.385
    plomo Pb(s) 0.130
    oro Au(s) 0.129
    silicio Si(s) 0.712


    Si sabemos la masa de una sustancia y su calor específico, podemos determinar la cantidad de calor q, que entra o sale de la sustancia por midiendo el cambio de temperatura antes y después de que el calor se gane o se pierda:

    \[\begin{align*}q&=\ce{(specific\: heat)×(mass\: of\: substance)×(temperature\: change)}\label{5.2.7}\\q&=c×m×ΔT=c×m×(T_\ce{final}−T_\ce{initial})\end{align*}\]

    En esta ecuación, \(c\) es el calor específico de la sustancia, m es su masa, y ΔT (que se lee "delta T") es el cambio de temperatura, TfinalTinitial. Si una sustancia gana energía térmica, su temperatura aumenta, su temperatura final es más alta que su temperatura inicial, TfinalTinitial tiene un valor positivo y el valor de q es positivo. Si una sustancia pierde energía térmica, su temperatura baja y la temperatura final es más baja que la temperatura inicial, TfinalTinitial tiene un valor negativo y el valor de q es negativo.

    Ejemplo \(\PageIndex{1}\): Medición del Calor

    Se calienta un matraz que contiene \(\mathrm{8.0\times10^2\;g}\) de agua, y la temperatura del agua aumenta de 21°C a 85°C. ¿Cuánto calor absorbió el agua?

    Solución

    Para responder a esta pregunta, considere estos factores:

    • el calor específico de la sustancia que se está calentando (en este caso, el agua)
    • la cantidad de sustancia que se calienta (en este caso, 800 g)
    • la magnitud del cambio de temperatura (en este caso, de 21°C a 85°C).

    El calor específico del agua es 4.184 J/g°C, por eso, para calentar 1 g de agua a 1°C se necesitan 4.184 J. Observamos que como 4.184 J se requiere para calentar 1 g de agua a 1°C, necesitaremos 800 veces más para calentar 800 g de agua a 1°C. Finalmente, observamos que se requieren 4.184 J para calentar 1 g de agua a 1°C, necesitaremos 64 veces más para calentarlo a 64°C (es decir, de 21°C a 85°C).

    Esto se puede resumir usando la ecuación:

    \(q=c×m×ΔT=c×m×(T_\ce{final}−T_\ce{initial})\)


    \(\begin{align*}
    &=\mathrm{(4.184\:J/\cancel{g}°C)×(800\:\cancel{g})×(85−21)°C}\\
    &=\mathrm{(4.184\:J/\cancel{g}°\cancel{C})×(800\:\cancel{g})×(64)°\cancel{C}}\\
    &=\mathrm{210,000\: J(=210\: kJ)}
    \end{align*}\)

    Debido a que la temperatura aumentó, el agua absorbió calor y \(q\) es positivo.

    Ejercicio \(\PageIndex{1}\)

    ¿Cuánto calor, en julios, se debe agregar a una sartén de hierro \(\mathrm{5.00\times10^2\;g}\) para aumentar su temperatura de 25°C a 250°C? El calor específico del hierro es de 0.451 J/g°C.

    Respuesta

    \(\mathrm{5.05 \times 10^4\; J}\)

    Tenga en cuenta que la relación entre el calor, calor específico, masa, y cambio de temperatura se puede usar para determinar cualquiera de estas cantidades (no solo calor) si los otros tres se saben o se pueden deducir.

    Ejemplo \(\PageIndex{2}\): Determinando Otras Cantidades

    A piece of unknown metal weighs 348 g. When the metal piece absorbs 6.64 kJ of heat, its temperature increases from 22.4 °C to 43.6 °C. Determine the specific heat of this metal (which might provide a clue to its identity).

    Solución

    Dado que los cambios de masa, calor, y temperatura se saben para este metal, podemos determinar su calor específico usando la relación:

    \[q=c \times m \times \Delta T=c \times m \times (T_\ce{final}−T_\ce{initial})\]

    Sustituyendo los valores conocidos:

    \[6,640\; \ce J=c \times \mathrm{(348\; g) \times (43.6 − 22.4)\; °C}\]

    Resolviendo:

    \[c=\mathrm{\dfrac{6,640\; J}{(348\; g) \times (21.2°C)} =0.900\; J/g\; °C}\]

    Comparando este valor con los valores en la Tabla \(\PageIndex{1}\), este valor coincide con el calor específico del aluminio, lo que sugiere que el metal desconocido puede ser aluminio.

    Ejercicio \(\PageIndex{2}\)

    Una pieza de metal desconocido pesa 217 g. Cuando la pieza de metal absorbe 1.43 kJ de calor, su temperatura aumenta de 24.5°C a 39.1°C. Determine el calor específico de este metal, y prediga su identidad.

    Respuesta

    \(c = \mathrm{0.45 \;J/g \;°C}\); the metal is likely to be iron from checking Table \(\PageIndex{1}\).

    Las plantas de energía solar térmicas

    La luz solar que llega a la Tierra contiene miles de veces más energía que podemos actualmente capturar. Los sistemas térmicos solares dan una solución posible al problema de convertir la energía del sol en energía que podemos usar. Las plantas a gran escala termosolares tienen diferentes especificaciones de diseño, pero todas concentran la luz solar para calentar alguna sustancia; el calor "almacenado" en esa sustancia se convierte en electricidad.

    La estación generadora de Solana en el desierto de Sonora en Arizona produce 280 megavatios de energía eléctrica. Usa espejos parabólicos que enfocan la luz solar en tuberías llenas con un fluido de transferencia de calor (HTF) (Figura \(\PageIndex{8}\)). El HTF hace dos cosas: convierte el agua en vapor, que hace girar las turbinas, que a su vez produce electricidad, y funde y calienta una mezcla de sales, que funciona como un sistema de almacenamiento de energía térmica. Cuando se hace noche, la mezcla de sal fundida puede soltar suficiente calor almacenado para producir el vapor y hacer funcionar las turbinas durante 6 horas. Las sales fundidas se usan porque poseen una serie de propiedades beneficiosas, que incluyen altas capacidades de calor y conductividad térmica.

    This figure has two parts labeled a and b. Part a shows rows and rows of trough mirrors. Part b shows how a solar thermal plant works. Heat transfer fluid enters a tank via pipes. The tank contains water which is heated. As the heat is exchanged from the pipes to the water, the water becomes steam. The steam travels to a steam turbine. The steam turbine begins to turn which powers a generator. Exhaust steam exits the steam turbine and enters a cooling tower.

    Figura \(\PageIndex{8}\): Esta planta termosolar usa espejos de canalización parabólica para concentrar la luz solar. (crédito a: modificación del trabajo por la Oficina de Administración de Tierras)

    El sistema de generación solar Ivanpah de 377 megavatios, ubicado en el desierto de Mojave en California, es la planta de energía solar térmica más grande del mundo (Figura \(\PageIndex{9}\)). Sus 170,000 espejos enfocan enormes cantidades de luz solar en tres torres llenas de agua, produciendo vapor a más de 538°C que impulsa las turbinas que producen electricidad. Produce suficiente energía para alimentar 140,000 hogares. El agua se usa como fluido de trabajo debido a su gran capacidad de calor y al calor de vaporización.

    Two pictures are shown and labeled a and b. Picture a shows a thermal plant with three tall metal towers. Picture b is an arial picture of the mirrors used at the plant. They are arranged in rows.

    Figure \(\PageIndex{9}\): (a) La planta termosolar de Ivanpah usa 170,000 espejos para concentrar la luz solar en torres llenas de agua. (b) Cubre 4000 acres de terrenos públicos cerca del desierto de Mojave y la frontera de California y Nevada. (Crédito a: modificación del trabajo por Craig Dietrich; crédito b: modificación del trabajo por “USFWS Pacific Southwest Region” / Flickr)

    Resumen

    La energía es la capacidad de hacer trabajo (aplicar una fuerza para mover la materia). La energía cinética (KE) es la energía del movimiento; la energía potencial es la energía debida a la posición relativa, la composición, o la condición. Cuando la energía se convierte de una forma a otra, la energía no se crea ni se destruye (ley de conservación de la energía o primera ley de la termodinámica). La materia tiene energía térmica debido al KE de sus moléculas y la temperatura que corresponde al KE promedio de sus moléculas. El calor es energía que se transfiere entre objetos a diferentes temperaturas; fluye desde una temperatura alta a una baja. Los procesos químicos y físicos pueden absorber calor (endotérmico) o soltar calor (exotérmico). La unidad SI de energía, calor y trabajo es el joule (J). El calor específico y la capacidad térmica son medidas de la energía necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia o de un objeto. La cantidad de calor absorbido o suelto por una sustancia depende directamente del tipo de sustancia, su masa y el cambio de temperatura que experimenta.

    Ecuaciones claves

    • \(q=c×m×ΔT=c×m×(T_\ce{final}−T_\ce{initial})\)

    Glosario

    caloría(cal)
    unidad de calor u otra energía; la cantidad de energía requerida para elevar 1 gramo de agua en 1 grado Celsius; 1 cal se define como 4.184 J
    proceso endotérmico
    Reacción química o cambio físico que absorbe el calor.
    energía
    Capacidad de suministrar calor o trabajar.
    proceso exotérmico
    Reacción química o cambio físico que libera calor.
    calor (q)
    Transferencia de energía térmica entre dos cuerpos.
    capacidad calorífica (C)
    propiedad extensa de un cuerpo de materia que representa la cantidad de calor requerida para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius (o 1 kelvin)
    Joule (J)
    Unidad de energía SI; 1 julio es la energía cinética de un objeto con una masa de 2 kilogramos que se mueve con una velocidad de 1 metro por segundo, 1 J = 1 kg m2/s y 4.184 J = 1 cal 
    energía cinética
    energía de un cuerpo en movimiento, en julios, igual a \(\dfrac{1}{2}mv^2\) (donde m = masa y v = velocidad)
    energía potencial
    Energía de una partícula o sistema de partículas derivadas de la posición, composición o condición relativa.
    capacidad calorífica específica (c)
    propiedad intensiva de una sustancia que representa la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de la sustancia en 1 grado Celsius (o 1 kelvin)
    temperatura
    propiedad intensiva de la materia que es una medida cuantitativa de "picor" y "frialdad" energía
    térmica
    Energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.
    thermochemistry
    Estudio de la medición de la cantidad de calor absorbido o liberado durante una reacción química o un cambio físico.
    trabajo (w)
    transferencia de energía debido a cambios en variables macroscópicas externas, como la presión y el volumen; o causando que la materia se mueva contra una fuerza opuesta

    Contribuyentes

    • Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."

    • Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.