5.1: Conceptos básicos de energía

Objetivos de aprendizaje

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

Los cambios químicos y los cambios que los acompañan en la energía son partes importantes de nuestro mundo cotidiano (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los macronutrientes en los alimentos (proteínas, grasas e hidratos de carbono) sufren reacciones metabólicas que proporcionan la energía para mantener nuestro cuerpo funcionando. Quemamos una variedad de combustibles (gasolina, gas natural, carbón) para producir energía para el transporte, la calefacción y la generación de electricidad. Las reacciones químicas industriales utilizan enormes cantidades de energía para producir materias primas (como el hierro y el aluminio). La energía se utiliza entonces para fabricar esas materias primas en productos útiles, como automóviles, rascacielos y puentes.

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

Se muestran tres imágenes etiquetadas a, b y c. La imagen a es una hamburguesa con queso. La imagen b representa una carretera llena de tráfico. La imagen c es una vista de un horno industrial de metal. La vista al interior del horno muestra un fuego caliente ardiendo en su interior.

Más del 90% de la energía que utilizamos proviene originalmente del sol. Todos los días, el sol proporciona a 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 formas de convertir y almacenar la energía solar entrante para que pueda ser utilizada 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. Liberamos la energía almacenada en las plantas cuando quemamos madera o productos vegetales como el etanol. También utilizamos esta energía para alimentar nuestros cuerpos al comer alimentos que provienen directamente de las plantas o de los animales que obtuvieron su energía al comer plantas. La quema de carbón y petróleo también libera energía solar almacenada: Estos combustibles son materia vegetal y animal fosilizada.

Este capítulo presentará las ideas básicas de un área importante de la ciencia que se ocupa de la cantidad de calor absorbido o liberado durante los cambios químicos y físicos, un área llamada termoquímica. Los conceptos introducidos en este capítulo son ampliamente utilizados en casi todos los campos científicos y técnicos. Los científicos de alimentos los utilizan para determinar el contenido energético de los alimentos. Los biólogos estudian la energía de los organismos vivos, como la combustión metabólica del azúcar en dióxido de carbono y agua. Las industrias de petróleo, gas y transporte, proveedores de energía renovable y muchas otras se empeñan en 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 electrónica, entre otras aplicaciones. Comprender los principios termoquímicos es esencial para químicos, físicos, biólogos, geólogos, todo tipo de ingenieros y casi cualquier persona que estudie o haga cualquier tipo de ciencia.

Energía

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

Al igual que la materia, la energía viene en diferentes tipos. Un esquema clasifica la energía en dos tipos: la energía potencial, la energía que tiene un objeto por su posición relativa, composición o condición, y la energía cinética, la energía que un objeto posee debido a su movimiento. El agua en la parte superior de una cascada o presa tiene energía potencial debido a su posición; cuando fluye hacia abajo a través de generadores, tiene energía cinética que puede ser utilizada para hacer trabajos y producir electricidad en una planta hidroeléctrica (Figura\(\PageIndex{2}\)). Una batería tiene energía potencial porque los químicos dentro de ella pueden producir electricidad que puede funcionar.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) El agua que es mayor en elevación, por ejemplo, en la cima de las Cataratas Victoria, tiene una mayor energía potencial que el agua a una elevación menor. A medida que cae el agua, 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 de obra de Steve Jurvetson; crédito b: modificación de obra por “curimedia” /Wikimedia commons).

Se muestran dos imágenes etiquetadas con a y b. La imagen a muestra una gran cascada con agua cayendo desde una elevación alta en la parte superior de las cataratas hasta una elevación inferior. El segundo cuadro es una vista mirando hacia abajo a la Presa Hoover. El agua se muestra detrás del alto muro de la presa por un lado y en la base de la presa por el otro.

La energía se puede convertir de una forma a otra, pero toda la energía presente antes de que ocurra un cambio siempre existe de alguna forma después de que se complete el cambio. Esta observación se expresa en la ley de conservación de la energía: durante un cambio químico o físico, la energía no puede crearse ni destruirse, aunque se puede cambiar de forma. (Esta es también una versión de la primera ley de la termodinámica, como aprenderás más adelante.)

Cuando una sustancia se convierte en otra, siempre hay una conversión asociada de una forma de energía en otra. El calor suele ser liberado o absorbido, pero a veces la conversión involucra luz, 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 de rápida expansión 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 (vista en un capítulo anterior), no hay 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 lo que las leyes de conservación de la materia y la energía se mantienen bien. Sin embargo, en las reacciones nucleares, los cambios de energía son mucho mayores (por factores de aproximadamente un millón), los cambios de masa son medibles y las conversiones materia-energía son significativas. Esto será examinado con más detalle en un capítulo posterior sobre química nuclear. Para abarcar tanto los cambios químicos como los nucleares, combinamos estas leyes en una sola declaración: La cantidad total de materia y energía en el universo es fija.

Energía térmica, temperatura y calor

La energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de átomos y 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 promedio (KE) más alta, y decimos que el objeto está “caliente”. Cuando los átomos y las moléculas se mueven lentamente, tienen menor KE, y decimos que el objeto está “frío” (Figura\(\PageIndex{3}\)). Suponiendo que no se produzca ninguna reacción química o cambio de fase (como fusión o vaporización), aumentar la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que aumente su temperatura. Y, suponiendo que no se produzca ninguna reacción química o cambio de fase (como condensación o congelación), disminuir la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que disminuya su temperatura.

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

Se muestran dos dibujos moleculares y se etiquetan a y b. El dibujo a es una caja que contiene catorce esferas rojas que están rodeadas por líneas que indican que las partículas se mueven rápidamente. Este dibujo tiene una etiqueta que dice “Agua caliente”. El dibujo b representa otra caja de igual tamaño que también contiene catorce esferas, pero estas son azules. Todos ellos están rodeados de líneas más pequeñas que representan algún movimiento de partículas, pero no tanto como en el dibujo a Este dibujo tiene una etiqueta que dice “Agua fría”.

Elemento Interactivo: PhET

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

Se muestra una imagen etiquetada como a, así como un par de dibujos etiquetados como b. La imagen a muestra la parte inferior de un termómetro de alcohol. El termómetro tiene una escala impresa a la izquierda del tubo en el centro que lee desde cuarenta grados negativos en la parte inferior hasta cuarenta grados en la parte superior. También tiene una escala impresa a la derecha del tubo que lee desde treinta grados negativos en la parte inferior hasta treinta y cinco grados en la parte superior. En ambas escalas, el volumen del alcohol en el tubo se lee entre nueve y diez grados. Las dos imágenes etiquetadas con b representan una tira metálica enrollada en espiral y compuesta de latón y acero. La bobina izquierda, que está enrollada sin apretar, está etiquetada a lo largo de su borde superior con los 30 grados C y 10 grados C. El extremo de la bobina está cerca de la etiqueta de 30 grados C. La bobina de la derecha está mucho más apretada y el extremo está cerca de la etiqueta de 10 grados C.

Figura\(\PageIndex{4}\): (a) En un termómetro de alcohol o mercurio, el líquido (teñido de rojo para mayor 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 se contrae más que el otro metal (acero), haciendo que la tira se enrolla o se desenrolla. Ambos tipos de termómetros tienen una escala calibrada que indica la temperatura. (crédito a: modificación de obra por “dwstucke” /Flickr). (c) La demostración permite ver los efectos del calentamiento y enfriamiento de una cinta bimetálica enrollada.Una bobina bimetálica de un termómetro reacciona al calor de un encendedor, desenrollando y luego enrollando de nuevo cuando se retira el encendedor. Animación utilizada con permiso de Hustvedt (vía Wikipedia).

El calor (q) es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. El flujo de calor (un término redundante, pero uno de uso común) aumenta la energía térmica de un cuerpo 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 promedio KE mayor 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 disminuirá, 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\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): (a) Las sustancias H y L se encuentran inicialmente a diferentes temperaturas, y sus átomos tienen diferentes energías cinéticas promedio. (b) Cuando se ponen en contacto entre sí, las colisiones entre las moléculas dan como resultado 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.

Se muestran tres dibujos y se etiquetan a, b y c, respectivamente. El primer dibujo etiquetado como representa dos cajas, con un espacio en el medio y el par está subtitulado “Diferentes temperaturas”. La caja de la izquierda está etiquetada con H y contiene catorce esferas rojas bien espaciadas con líneas dibujadas alrededor de ellas para indicar un movimiento rápido. La caja de la derecha está etiquetada con L y representa catorce esferas azules que están más juntas que las rojas y tienen líneas más pequeñas alrededor de ellas mostrando menos movimiento de partículas. El segundo dibujo etiquetado como b representa dos cajas que se tocan entre sí. La caja izquierda está etiquetada con H y contiene catorce esferas granate que están espaciadas uniformemente. Hay pequeñas líneas alrededor de cada esfera que representan el movimiento de las partículas. La caja derecha está etiquetada como L y contiene catorce esferas moradas que están un poco más juntas que las esferas granate. También hay pequeñas líneas alrededor de cada esfera que representan el movimiento de las partículas. Una flecha negra apunta desde el cuadro izquierdo hasta el cuadro derecho y el par de diagramas se subtitula “Contacto”. El tercer dibujo etiquetado c, se etiqueta como “Equilibrio térmico”. Se muestran dos cajas en contacto entre sí. Ambas cajas contienen catorce esferas moradas con pequeñas líneas alrededor de ellas que representan un movimiento moderado. El cuadro izquierdo está etiquetado como H y el cuadro derecho está etiquetado como L.

La materia que experimenta reacciones químicas y cambios físicos puede liberar o absorber calor. Un cambio que libera calor se llama proceso exotérmico. Por ejemplo, la reacción de combustión que se produce cuando se usa un soplete de oxiacetileno es un proceso exotérmico, este proceso también libera energía en forma de luz como lo demuestra la llama de la antorcha (Figura\(\PageIndex{6a}\)). Una reacción o cambio que absorbe calor es un proceso endotérmico. Una bolsa fría utilizada para tratar las cepas musculares proporciona un ejemplo de un proceso endotérmico. Cuando se juntan las sustancias en la bolsa fría (agua y una sal como el nitrato de amonio), el proceso resultante absorbe el calor, lo que lleva a la sensación de frío.

Figura\(\PageIndex{6}\): (a) Un soplete de oxiacetileno produce calor por la combustión de acetileno en oxígeno. La energía liberada por esta reacción exotérmica calienta y luego funde el metal que se está cortando. Las chispas son pequeños trozos del metal fundido volando lejos. (b) Una bolsa fría utiliza un proceso endotérmico para crear la sensación de frío. (crédito a: modificación de obra de “Skatebiker” /Wikimedia commons).

Se muestran dos imágenes y se etiquetan a y b. La imagen a muestra un amarre de ferrocarril de metal cortado con la llama de una antorcha de acetileno. La imagen b muestra un paquete frío químico que contiene nitrato de amonio.

Medición de la capacidad de energía y calor

Históricamente, la energía se midió en unidades de calorías (cal). Una caloría es la cantidad de energía requerida para elevar un gramo de agua en 1 grado C (1 kelvin). Sin embargo, esta cantidad depende de la presión atmosférica y de la temperatura inicial del agua. La facilidad de medición de los cambios energéticos en calorías ha hecho que la caloría siga siendo utilizada con frecuencia. La Caloría (con una C mayúscula), o gran caloría, comúnmente utilizada para cuantificar el contenido energético 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 utilizada cuando una fuerza de 1 newton mueve un objeto 1 metro. Se nombra en honor al físico inglés James Prescott Joule. Un julio equivale a 1 kg m ^{2 /s 2}, que también se llama 1 newton—metro. Un kilojulio (kJ) es de 1000 julios. Para estandarizar su definición, se ha establecido 1 caloría en 4.184 julios.

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

\[C=\dfrac{q}{ΔT} \label{5.2.1} \]

La capacidad calorífica está determinada tanto por el tipo como por la cantidad de sustancia que absorbe o libera 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 calorífica de la sartén grande es cinco veces mayor que la de la sartén pequeña ya que, aunque ambas están hechas del mismo material, la masa de la sartén grande es cinco veces mayor que la masa de la sartén pequeña. Más masa significa que hay más átomos presentes en la sartén más grande, por lo que se necesita más energía para hacer que todos esos átomos vibren más rápido. La capacidad calorífica de la pequeña sartén de hierro fundido se encuentra al observar que se necesitan 18,150 J de energía para elevar la temperatura de la sartén en 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 elevar su temperatura en 50.0 °C. La sartén más grande tiene una capacidad calorífica (proporcionalmente) mayor porque la mayor cantidad de material requiere una (proporcionalmente) mayor cantidad de energía para producir la misma temperatura cambio:

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

La capacidad calorífica específica (c) de una sustancia, comúnmente llamada su “calor específico”, es la cantidad de calor requerida 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 calorífica específica depende únicamente del tipo de sustancia que absorbe o libera calor. Es una propiedad intensiva —el tipo, pero no la cantidad, de la sustancia es lo único que importa. Por ejemplo, la pequeña sartén de hierro fundido tiene una masa de 808 g. El calor específico del hierro (el material utilizado para hacer la sartén) es por lo tanto:

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

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

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

Si bien la sartén grande es más masiva que la pequeña, ya que ambas están hechas del mismo material, ambas producen el mismo valor para calor específico (para el material de construcción, hierro). Obsérvese que el calor específico se mide en unidades de energía por temperatura por masa y es una propiedad intensiva, derivándose de una relación de dos propiedades extensas (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\(\PageIndex{7}\)).

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

La imagen muestra dos sartenes de metal negro sentadas sobre una superficie plana. La sartén izquierda es aproximadamente la mitad del tamaño de la sartén derecha.

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 algo con la temperatura. Sin embargo, esta variación suele ser 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 enumeran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Calores Específicos de Sustancias Comunes a 25 °C y 1 bar

Sustancia	Símbolo (estado)	Calor Específico (J/g °C)
helio	Él (g)	5.193
agua	H 2 O (l)	4.184
etanol	C 2 H 6 O (l)	2.376
hielo	H 2 O (s)	2.093 (a −10 °C)
vapor de agua	H 2 O (g)	1.864
nitrógeno	N 2 (g)	1.040
aire		1.007
oxígeno	O 2 (g)	0.918
aluminio	Al (s)	0.897
dióxido de carbono	CO 2 (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 conocemos la masa de una sustancia y su calor específico, podemos determinar la cantidad de calor, q, que entra o sale de la sustancia midiendo el cambio de temperatura antes y después de que se gane o pierda el calor:

\[\begin{align*} q &= \ce{(specific\: heat)×(mass\: of\: substance)×(temperature\: change)}\label{5.2.7}\\q&=c×m×ΔT \\[4pt] &=c×m×(T_\ce{final}−T_\ce{initial})\end{align*} \]

En esta ecuación,\(c\) se encuentra el calor específico de la sustancia, m es su masa, y Δ T (que se lee “delta T”) es el cambio de temperatura, T _final − T _inicial. Si una sustancia gana energía térmica, su temperatura aumenta, su temperatura final es mayor que su temperatura inicial, T _final − T _inicial tiene un valor positivo, y el valor de q es positivo. Si una sustancia pierde energía térmica, su temperatura disminuye, la temperatura final es inferior a la temperatura inicial, T _final − T _inicial tiene un valor negativo, y el valor de q es negativo.

 

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Measuring Heat

Se calienta un matraz que contiene\(\mathrm{8.0 \times 10^2\; g}\) 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 calienta (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 de 4.184 J/g °C, por lo que para calentar 1 g de agua por 1 °C se requiere 4.184 J. Observamos que ya que se requiere 4.184 J para calentar 1 g de agua por 1 °C, necesitaremos 800 veces más para calentar 800 g de agua por 1 °C. Finalmente, observamos que ya que se requieren 4.184 J para calentar 1 g de agua por 1 °C, nosotros necesitará 64 veces más para calentarlo por 64 °C (es decir, de 21 °C a 85 °C).

Esto se puede resumir usando la ecuación:

\[\begin{align*} q&=c×m×ΔT \\[4pt] &=c×m×(T_\ce{final}−T_\ce{initial}) \\[4pt] &=\mathrm{(4.184\:J/\cancel{g}°C)×(800\:\cancel{g})×(85−21)°C}\\[4pt] &=\mathrm{(4.184\:J/\cancel{g}°\cancel{C})×(800\:\cancel{g})×(64)°\cancel{C}}\\[4pt] &=\mathrm{210,000\: J(=210\: kJ)} \end{align*} \nonumber \]

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

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuánto calor, en julios, se debe agregar a una sartén de\(\mathrm{5.00 \times 10^2 \;g}\) hierro para aumentar su temperatura de 25 °C a 250 °C? El calor específico del hierro es 0.451 J/g °C.

Responder

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

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

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Determining Other Quantities

Una pieza de metal desconocido pesa 348 g. Cuando la pieza metálica absorbe 6.64 kJ de calor, su temperatura aumenta de 22.4 °C a 43.6 °C. Determinar el calor específico de este metal (lo que podría proporcionar una pista de su identidad).

Solución

Dado que el cambio de masa, calor y temperatura son conocidos por este metal, podemos determinar su calor específico usando la relación:

\[\begin{align*} q&=c \times m \times \Delta T \\[4pt] &=c \times m \times (T_\ce{final}−T_\ce{initial}) \end{align*} \nonumber \]

Sustituyendo los valores conocidos:

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

Resolviendo:

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

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

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

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

Contestar

\(c = \mathrm{0.45 \;J/g \;°C}\); el metal es probable que sea hierro de verificar Tabla\(\PageIndex{1}\).

Plantas de energía solar térmica

La luz solar que llega a la tierra contiene miles de veces más energía de la que capturamos actualmente. Los sistemas termosolares proporcionan una posible solución al problema de convertir la energía del sol en energía que podemos utilizar. Las plantas termosolares a gran escala tienen diferentes detalles de diseño, pero todas concentran la luz solar para calentar alguna sustancia; el calor “almacenado” en esa sustancia se convierte luego en electricidad.

La Estación Generadora Solana en el desierto de Sonora de Arizona produce 280 megavatios de energía eléctrica. Utiliza espejos parabólicos que enfocan la luz solar en tuberías llenas de un fluido de transferencia de calor (HTF) (Figura\(\PageIndex{8}\)). El HTF entonces hace dos cosas: Convierte el agua en vapor, que hace girar 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. Después de que el sol se pone, la mezcla de sal fundida puede liberar suficiente de su calor almacenado para producir vapor para hacer funcionar las turbinas durante 6 horas. Las sales fundidas se utilizan porque poseen una serie de propiedades beneficiosas, incluyendo altas capacidades térmicas y conductividades térmicas.

Figura\(\PageIndex{8}\): Esta planta termosolar utiliza espejos cilindroparabólicos para concentrar la luz solar. (crédito a: modificación de obra por Bureau of Land Management)

Esta figura tiene dos partes etiquetadas a y b. La parte a muestra filas y filas de espejos de canal. La parte b muestra cómo funciona una planta termosolar. El fluido de transferencia de calor ingresa a un tanque a través de tuberías El tanque contiene agua que se calienta. A medida que el calor se intercambia de las tuberías al agua, el agua se convierte en vapor. El vapor viaja a una turbina de vapor. Comienza a girar la turbina de vapor que alimenta un generador. El vapor de escape sale de la turbina de vapor y entra en una torre de enfriamiento.

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 grandes cantidades de luz solar en tres torres llenas de agua, produciendo vapor a más de 538 °C que impulsa turbinas productoras de electricidad. Produce energía suficiente para alimentar a 140 mil hogares. El agua se utiliza como fluido de trabajo debido a su gran capacidad calorífica y calor de vaporización.

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

Se muestran dos imágenes etiquetadas a y b. La imagen a muestra una planta térmica con tres torres altas de metal. La imagen b es una imagen arial de los espejos utilizados en la planta. Están dispuestos en filas.

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

Ecuaciones Clave

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

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 para suministrar calor o hacer trabajo

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)

julio (J)

Unidad de energía SI; 1 julio es la energía cinética de un objeto con una masa de 2 kilogramos moviéndose con una velocidad de 1 metro por segundo, 1 J = 1 kg m ² /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 derivada 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

termoquímica

estudio de medir 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 presión y volumen; o hacer que la materia se mueva contra una fuerza opuesta