Sabemos que si suministramos la misma cantidad de calor a diferentes cuerpos la variación de temperatura que experimente cada uno de ellos será diferente.
La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación entre la cantidad de energía calorífica transferida al cuerpo y el cambio de temperatura que experimenta.
Esta propiedad nos informa sobre la mayor o menor dificultad que presenta el cuerpo en cuestión para cambiar su temperatura cuando se le suministra calor.
Podemos calcular su valor mediante la ecuación:
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$$ C = \frac{Q}{\Delta T}$$ | (1) |
Donde:
Observa que de la ecuación (1) podemos deducir que para una cierta cantidad de energía suministrada $Q$, la capacidad calorífica $C$ será mayor cuanto menor sea la variación de temperatura $\Delta T$ conseguida.
Es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para que su temperatura se eleve 1 K (o 1 ºC)
El calor específico es, por tanto, una expresión de la capacidad calorífica que tiene una unidad de masa:
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$$ c = \frac{C}{m}$$ | (2) |
donde:
De la ecuación (2) deducimos que cuanto mayor es el calor específico de una sustancia, más calor hay que intercambiar para conseguir variar su temperatura.
Por lo general en los ejercicios se nos proporciona un valor de calor específico y esto nos induce a pensar que es un valor constante aunque esto solamente es cierto para un rango de temperaturas ya que en realidad el calor específico de cualquier sustancia depende de su temperatura inicial.
En el caso de los fluidos la presión y el volumen tienen una relevancia especial por lo que si el proceso de intercambio de energía (calor) tiene lugar a presión constante o a volumen constante se habla de calor específico a presión constante $c_p$ o calor específico a volumen constante $c_v$. Si no se especifica nada suponemos que el proceso tiene lugar a la presión constante de 1 atm.
Establece la relación entre la variación de temperatura ($\Delta T$) que experimenta una determinada cantidad de sustancia ($m$) y el calor que intercambia ($Q$):
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$$ Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$ | (3) |
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, se observa que el cuerpo caliente disminuye su temperatura mientras que el cuerpo frío la aumenta. Si dejamos evolucionar el sistema el tiempo suficiente, llega un momento en el que las temperaturas de los dos cuerpos se han igualado, por lo que cesa el intercambio de energía.
El procedimiento que vamos a seguir en esta experiencia es sumergir una muestra de metal caliente en agua a temperatura ambiente dentro de un calorímetro. Al alcanzar el equilibrio se cumple:
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$$ −Q_{cedido(metal)}=Q_{ganado(agua)}$$ | (4) |
es decir:
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$$−[m_m⋅c_m⋅(T_{eq}−T_m)] = m_a⋅c_a⋅(T_{eq}−T_a)$$ | (5) |
Despejando el calor específico del metal ($c_m$) tenemos:
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$$c_m = m_m⋅(T_m−T_{eq})m_a⋅c_a⋅(T_{eq}−T_a)$$ | (6) |
Donde $c_a$ es el calor específico del agua, cuyo valor es 4180 J/kg·K (o 4.18 J/g·ºC).
Nota: observa que los datos de calor específico aparecen con diferentes unidades en ciertas zonas de esta hoja por lo que debes tener precaución al realizar cálculos y comparaciones.
Configuración:
Cuando está todo preparado pulsa el botón Play para iniciar el proceso, que se detendrá cuando se haya alcanzado el equilibrio térmico y te indicará la temperatura de equilibrio $T_{eq}$.
Cuando hayas anotado los datos del ensayo pulsa el botón Reiniciar y repite el proceso para una muestra de material diferente.
Anota en la siguiente tabla los valores de cada ensayo:
| Tabla 1 | |||||
| Muestra | Agua | Equilibrio | |||
| Muestra | $m_m$ (g) | $T_{im}$ (ºC) | $m_a$ (g) | $T_{ia}$ (ºC) | Teq (ºC) |
| A | |||||
| B | |||||
| C | |||||
| D | |||||
| E | |||||
| F | |||||
Si ya has rellenado la tabla 1, tienes todos los datos necesarios para determinar el calor específico de cada una de las muestras utilizando la ecuación (6). Haz los cálculos para cada muestra y anota tus resultados en la siguiente tabla:
| Tabla 2 | |
| Muestra | Calor específico (J/g·ºC) |
| A | |
| B | |
| C | |
| D | |
| E | |
| F | |
Compara tus resultados calculados con la siguiente tabla de valores teóricos e identifica de qué material está hecha cada muestra.
Tabla de Referencia (Valores Aproximados):
| Tabla 3 | |
| Material | Calor específico (J/kg·K) |
| Acero | 460 |
| Aluminio | 897 |
| Cadmio | 230 |
| Calcio | 630 |
| Cobre | 385 |
| Estaño | 230 |
| Germanio | 322 |
| Hierro | 450 |
| Oro | 129 |
| Plata | 234 |
| Platino | 130 |
| Plomo | 131 |
| Silicio | 703 |
Compara tus resultados con los de la tabla 3 y anota en la siguiente tabla si, según los cálculos de calor específico que has realizado, las muestras coinciden con alguno de ellos.
| Tabla 4 | ||
| Muestra | Calor específico (J/g·ºC) | Posible material |
| A | ||
| B | ||
| C | ||
| D | ||
| E | ||
| F | ||
a) Teniendo en cuenta los valores utilizados en la Actividad 1: ¿Por qué la temperatura de equilibrio está siempre más cerca de la temperatura inicial del agua que de la temperatura inicial del metal en este experimento? (Considera las masas y los calores específicos).
b) Si duplicamos la masa de agua utilizada, ¿la temperatura de equilibrio será mayor o menor? Justifica tu respuesta sin hacer cálculos, sólo basándote en la teoría.
c) Observando la gráfica de la temperatura frente al tiempo: ¿Qué sustancia cambia su temperatura más rápidamente, el metal o el agua? ¿Qué relación tiene esto con el valor del calor específico?
d) En un laboratorio real, el calorímetro no es perfecto y absorbe parte del calor. ¿Cómo afectaría esto a tus cálculos del calor específico del metal? (¿El valor calculado sería mayor o menor al real?).
Practica con el calorímetro y calcula el calor específico de las sustancias desconocidas.
Etiquetas: física Bachillerato energía HTML5 laboratorio calorimetría
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