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Experimento - Medios didácticos para experimentar/Almacenamos calor/Capacidad calorífica (editar)
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{{Recurso educativo AEIF
|Autor=MediaHouse GmbH
|Área=Ciencias Naturales
|Grado=Básico
|Tipo de licencia=CC BY-SA
|Formato=pdf, doc
|Responsable de curación= Editor
|Última actualización=2016/12/08
|Localización=https://medienportal.siemens-stiftung.org/es/experimento-10-a2-almacenamos-calor-107370}}
{{Calificación de recurso}}
==Descripción del recurso==
Primero se ofrece una definición general de la capacidad calorífica. A continuación se destaca la singularidad de la capacidad calorífica del agua y se presenta un método de medición de las capacidades caloríficas, la llamada calorimetría. Por último, se hace referencia a la importancia de la capacidad calorífica para el almacenamiento de calor.
===Definición===
Para calentar una sustancia, es decir, para llevarla de una temperatura más baja a una temperatura más alta, es necesario transferirle calor (Q). Entre mayor sea la diferencia de temperatura objetivo (ᐃT), mayor deberá ser la transferencia de calor, es decir, ambas magnitudes son directamente proporcionales:
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(1)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>Q ᐃ~T</big>
|}
La cantidad exacta de calor necesaria depende de la naturaleza de la sustancia y de su cantidad, o sea, de su masa. '''La capacidad calorífica C''' es la relación entre la cantidad de calor transferida y la diferencia de temperatura alcanzada, que cuando está referida a la masa (m) del material se denomina '''capacidad calorífica específica c = C/m''' (con frecuencia, para abreviar, se utiliza
también de manera equívoca la expresión “calor específico”).
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(2)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>Q CˑᐃT=cˑmˑᐃT</big>
|}
===La capacidad calorífica del agua===
Para calentar 1 °C 1 kg de agua a una temperatura de 20 °C es necesario transferir una cantidad de energía (calor) de 4,183 kJ. Como muestra una comparación con las capacidades caloríficas de otras sustancias, el agua tiene en estado líquido la capacidad calorífica específica más alta. Porque si se quiere, p. ej., aumentar en 1 °C la temperatura de 1 kg de cobre a 20 °C, “solamente” se necesita una cantidad de calor de 0,38 kJ.
{| class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; border: 1px solid #000000;"
|-
| style="text-align:center; width:50%; border: 1px solid #000000;" |Material
| style="text-align:center; width:50%; border: 1px solid #000000;" |Capacidad calorífica [kJ/kg K]
|-
|Agua
|4,183
|-
|Etanol
|2,4
|-
|Madera
|2,5
|-
|Hielo (0 °C)
|2,1
|-
|Amoniaco
|2,06
|-
|Aire
|1,01
|-
|Aluminio
|0,9
|-
|Cobre
|0,38
|-
|Mercurio
|0,14
|}
'''Tabla 1:''' Valores de referencia para las capacidades caloríficas de líquidos, gases y sólidos. Si no se indica explícitamente otra cosa, los valores se refieren a una temperatura de 20 °C. Los datos para gases corresponden a las capacidades caloríficas a presión constante.<ref>Fuente: Kuchling, 1978</ref>
===¿Por qué posee el agua líquida una capacidad calorífica tan alta?===
El motivo por el cual el agua en estado líquido presenta una capacidad calorífica tan alta se explica claramente con el modelo de partículas: las partículas en el modelo de partículas poseen varias posibilidades de movimiento independientes: movimiento rectilíneo (traslación), movimiento giratorio (rotación) y vibración. (En el lenguaje técnico, estas posibilidades de movimiento se denominan “grados de libertad”). Mediante la transferencia de calor es posible excitar todos esos movimientos diferentes. Entre más movimientos diferentes puedan ser excitados, mayor es la capacidad calorífica.
El agua líquida posee un número especialmente elevado de grados de libertad debido a que las moléculas de agua son angulares (varios grados de libertad para rotar), y estas, además de sus propios movimientos de vibración, también interactúan con las vibraciones de otras moléculas. En resumen, todos estos grados de libertad son la causa de la elevada capacidad calorífica del agua líquida.
===Así se determina la capacidad calorífica de una sustancia===
En primer lugar se establece la temperatura y la masa de la sustancia cuya capacidad calorífica se desee determinar. A continuación se transfiere a la sustancia una cantidad de calor definida, se mide la temperatura y se calcula la diferencia de temperatura (ᐃT). La capacidad calorífica específica se determina luego a partir de las magnitudes medidas, por medio de la siguiente ecuación:
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(3)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>c=Q/(mˑᐃT</big>
|}
====Líquidos o gases====
La determinación experimental de la capacidad calorífica funciona de un modo bastante sencillo, tal y como muestra este ejemplo de la cocina.
Hervir agua para el té: un litro de agua (masa 1 kg) se calienta durante 3 minutos con un hervidor de agua con una potencia eléctrica de 2.000 vatios. La cantidad de calor transferida se puede calcular a partir de la potencia y el tiempo (Q = Pˑt). Se puede medir la temperatura del agua al llenar el hervidor y después de calentarla, y se dispondría entonces de todas las magnitudes para
calcular, a partir de ellas, la capacidad calorífica.
Nota: No obstante, este procedimiento conlleva un error de medición más o menos grande. Las causas son la pérdida de calor que se cede al entorno y la absorción de calor por el recipiente del hervidor de agua. Es decir, que si se quiere determinar con exactitud la capacidad calorífica específica del agua, es necesario trabajar con un recipiente extremadamente aislado y conocer su propia capacidad calorífica.
====Cuerpos sólidos====
En los sólidos se determina la capacidad calorífica con la ayuda de un calorímetro. Su principio de funcionamiento se basa en el llamado método de las mezclas (v. ecuación 4): Si se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, el cuerpo más caliente (m<sub>1</sub>, T<sub>1</sub>, c<sub>1</sub>) cederá calor al cuerpo más frío (m<sub>2</sub>, T<sub>2</sub>, c<sub>2</sub>) hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura (temperatura de mezcla T<sub>Mix</sub>). Aquí la cantidad de calor cedida por el cuerpo más caliente (Q<sub>1</sub>) es igual al calor absorbido por el cuerpo más frío (Q<sub>2</sub>).
|Autor=MediaHouse GmbH
|Área=Ciencias Naturales
|Grado=Básico
|Tipo de licencia=CC BY-SA
|Formato=pdf, doc
|Responsable de curación= Editor
|Última actualización=2016/12/08
|Localización=https://medienportal.siemens-stiftung.org/es/experimento-10-a2-almacenamos-calor-107370}}
{{Calificación de recurso}}
==Descripción del recurso==
Primero se ofrece una definición general de la capacidad calorífica. A continuación se destaca la singularidad de la capacidad calorífica del agua y se presenta un método de medición de las capacidades caloríficas, la llamada calorimetría. Por último, se hace referencia a la importancia de la capacidad calorífica para el almacenamiento de calor.
===Definición===
Para calentar una sustancia, es decir, para llevarla de una temperatura más baja a una temperatura más alta, es necesario transferirle calor (Q). Entre mayor sea la diferencia de temperatura objetivo (ᐃT), mayor deberá ser la transferencia de calor, es decir, ambas magnitudes son directamente proporcionales:
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(1)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>Q ᐃ~T</big>
|}
La cantidad exacta de calor necesaria depende de la naturaleza de la sustancia y de su cantidad, o sea, de su masa. '''La capacidad calorífica C''' es la relación entre la cantidad de calor transferida y la diferencia de temperatura alcanzada, que cuando está referida a la masa (m) del material se denomina '''capacidad calorífica específica c = C/m''' (con frecuencia, para abreviar, se utiliza
también de manera equívoca la expresión “calor específico”).
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(2)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>Q CˑᐃT=cˑmˑᐃT</big>
|}
===La capacidad calorífica del agua===
Para calentar 1 °C 1 kg de agua a una temperatura de 20 °C es necesario transferir una cantidad de energía (calor) de 4,183 kJ. Como muestra una comparación con las capacidades caloríficas de otras sustancias, el agua tiene en estado líquido la capacidad calorífica específica más alta. Porque si se quiere, p. ej., aumentar en 1 °C la temperatura de 1 kg de cobre a 20 °C, “solamente” se necesita una cantidad de calor de 0,38 kJ.
{| class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; border: 1px solid #000000;"
|-
| style="text-align:center; width:50%; border: 1px solid #000000;" |Material
| style="text-align:center; width:50%; border: 1px solid #000000;" |Capacidad calorífica [kJ/kg K]
|-
|Agua
|4,183
|-
|Etanol
|2,4
|-
|Madera
|2,5
|-
|Hielo (0 °C)
|2,1
|-
|Amoniaco
|2,06
|-
|Aire
|1,01
|-
|Aluminio
|0,9
|-
|Cobre
|0,38
|-
|Mercurio
|0,14
|}
'''Tabla 1:''' Valores de referencia para las capacidades caloríficas de líquidos, gases y sólidos. Si no se indica explícitamente otra cosa, los valores se refieren a una temperatura de 20 °C. Los datos para gases corresponden a las capacidades caloríficas a presión constante.<ref>Fuente: Kuchling, 1978</ref>
===¿Por qué posee el agua líquida una capacidad calorífica tan alta?===
El motivo por el cual el agua en estado líquido presenta una capacidad calorífica tan alta se explica claramente con el modelo de partículas: las partículas en el modelo de partículas poseen varias posibilidades de movimiento independientes: movimiento rectilíneo (traslación), movimiento giratorio (rotación) y vibración. (En el lenguaje técnico, estas posibilidades de movimiento se denominan “grados de libertad”). Mediante la transferencia de calor es posible excitar todos esos movimientos diferentes. Entre más movimientos diferentes puedan ser excitados, mayor es la capacidad calorífica.
El agua líquida posee un número especialmente elevado de grados de libertad debido a que las moléculas de agua son angulares (varios grados de libertad para rotar), y estas, además de sus propios movimientos de vibración, también interactúan con las vibraciones de otras moléculas. En resumen, todos estos grados de libertad son la causa de la elevada capacidad calorífica del agua líquida.
===Así se determina la capacidad calorífica de una sustancia===
En primer lugar se establece la temperatura y la masa de la sustancia cuya capacidad calorífica se desee determinar. A continuación se transfiere a la sustancia una cantidad de calor definida, se mide la temperatura y se calcula la diferencia de temperatura (ᐃT). La capacidad calorífica específica se determina luego a partir de las magnitudes medidas, por medio de la siguiente ecuación:
{| align="center" style="width:400px; margin-left: 100px; margin-right: 50px; margin-bottom:20px; margin-top:20px;"
|+(3)
|-
| style="text-align:center; border: 1px solid #000000;" |<big>c=Q/(mˑᐃT</big>
|}
====Líquidos o gases====
La determinación experimental de la capacidad calorífica funciona de un modo bastante sencillo, tal y como muestra este ejemplo de la cocina.
Hervir agua para el té: un litro de agua (masa 1 kg) se calienta durante 3 minutos con un hervidor de agua con una potencia eléctrica de 2.000 vatios. La cantidad de calor transferida se puede calcular a partir de la potencia y el tiempo (Q = Pˑt). Se puede medir la temperatura del agua al llenar el hervidor y después de calentarla, y se dispondría entonces de todas las magnitudes para
calcular, a partir de ellas, la capacidad calorífica.
Nota: No obstante, este procedimiento conlleva un error de medición más o menos grande. Las causas son la pérdida de calor que se cede al entorno y la absorción de calor por el recipiente del hervidor de agua. Es decir, que si se quiere determinar con exactitud la capacidad calorífica específica del agua, es necesario trabajar con un recipiente extremadamente aislado y conocer su propia capacidad calorífica.
====Cuerpos sólidos====
En los sólidos se determina la capacidad calorífica con la ayuda de un calorímetro. Su principio de funcionamiento se basa en el llamado método de las mezclas (v. ecuación 4): Si se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, el cuerpo más caliente (m<sub>1</sub>, T<sub>1</sub>, c<sub>1</sub>) cederá calor al cuerpo más frío (m<sub>2</sub>, T<sub>2</sub>, c<sub>2</sub>) hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura (temperatura de mezcla T<sub>Mix</sub>). Aquí la cantidad de calor cedida por el cuerpo más caliente (Q<sub>1</sub>) es igual al calor absorbido por el cuerpo más frío (Q<sub>2</sub>).