1.º de BachilleratoRuta de edumaterial
Qué vas a aprender
- Distinguir temperatura, energía interna y transferencia de energía por calor.
- Calcular energía en calentamientos y cambios de estado.
- Plantear balances de calor en sistemas aislados sencillos.
Antes de empezar
- Usar conservación de la energía.
- Convertir entre julios y kilojulios.
- Resolver ecuaciones lineales con masas, temperaturas y constantes.
El calor es transferencia, no contenido
La temperatura caracteriza el estado térmico y se relaciona con la distribución microscópica de energías, pero no mide por sí sola la energía interna total. Un recipiente grande puede contener más energía interna que otro más caliente y pequeño.
El calor Q es energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Una vez transferida, hablamos del cambio de energía del sistema, no de una cantidad de calor almacenada como sustancia.
Sistema, entorno y convenio
- ΔU=Q+W sobre el sistema
- Con este convenio, Q es positivo si entra energía por diferencia de temperatura y W es positivo si el entorno realiza trabajo sobre el sistema. Otros textos usan ΔU=Q−W hecho por el sistema; ambas expresiones son compatibles si se declara y mantiene el convenio.
Calentamiento sin cambio de estado
- Q=mcΔT
- El calor específico c es la energía por unidad de masa y por grado necesaria bajo las condiciones del modelo. La expresión supone un intervalo sin cambio de fase y una c aproximadamente constante. El signo de ΔT determina el signo de Q para el cuerpo según el convenio indicado.
Cambio de estado
- Q=mL
- Durante una transición de fase a presión fijada, la energía transferida puede cambiar la organización y energía potencial microscópica sin elevar la temperatura. L es el calor latente específico de la transición; fusión y vaporización usan constantes diferentes.
Recorrer una curva térmica
- Identifica estado inicial y final y las temperaturas de transición.
- Divide el proceso en tramos de calentamiento y de cambio de fase.
- Aplica mcΔT en cada tramo sin transición.
- Aplica mL en cada cambio de estado.
- Suma energías con signos coherentes y no uses una sola fórmula para todo el recorrido.
Calentar y fundir
Se calientan 0,10 kg de hielo desde −10 °C hasta 0 °C y después se funde. Usa c(hielo)=2,1 kJ·kg⁻¹·K⁻¹ y Lf=334 kJ/kg.
- Calentamiento: Q₁=0,10·2,1·10=2,1 kJ.
- Fusión: Q₂=0,10·334=33,4 kJ.
- Son tramos distintos y se suman.
Qtotal=35,5 kJ.
Equilibrio térmico y calorimetría
En un sistema térmicamente aislado, la suma algebraica de calores intercambiados es cero: lo cedido por los cuerpos calientes es ganado por los fríos, si se desprecia el calorímetro y no hay cambios de fase.
La temperatura final debe quedar entre las temperaturas iniciales para dos porciones de la misma sustancia sin transición ni fuente externa. Si el cálculo queda fuera de ese intervalo, hay un error de signo, datos o modelo.
Temperatura, calor y equilibrioPrueba otro caso
¿Cuándo deja de haber flujo de calor entre dos cuerpos que están en contacto?
Dos cuerpos A y B se ponen en contacto dentro de un recipiente aislado. A está a 80 °C y B está a 80 K. ¿Qué ocurre?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: Cuando los dos llegan a la misma temperatura — Sin diferencia de temperatura no hay transferencia neta de calor entre los cuerpos.
Lo que empuja a la energía es la DIFERENCIA de temperatura; si esa diferencia vale cero, no queda nada que empuje. Por eso dos cuerpos pueden quedarse los dos a 60 °C, bien calientes, y no intercambiar ya ninguna energía entre ellos.
Respuesta: De A a B: 80 K equivalen aproximadamente a −193 °C — Al convertir a Celsius, B está mucho más frío que A y recibe energía de él.
Un número suelto no dice nada si no se mira en qué escala está: antes de comparar hay que pasar las dos a la misma. Haciendo 80 - 273 se ve que B está a -193 °C, es decir, 273 grados por debajo de A, así que la energía va de A hacia B.
Interpretar un cambio de estadoPrueba otro caso
Se vaporizan por completo 50 g de agua pura y, por separado, 200 g, a 1 atm y con la misma potencia constante absorbida. Se desprecia la pérdida de calor. ¿Cómo difieren sus mesetas de ebullición?
Al extraer calor de agua pura a presión atmosférica, su temperatura desciende hasta 0 °C y permanece allí mientras aparece hielo. ¿Cómo se interpreta ese tramo horizontal?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: Los 200 g tienen una meseta más larga a 100 °C — Más masa requiere más energía para hervir, pero la temperatura de ebullición se mantiene.
A 1 atm, las dos muestras de agua pura hierven a 100 °C. Vaporizar la masa completa requiere Q = mL. Con la misma potencia absorbida, los 200 g requieren cuatro veces el tiempo de meseta de los 50 g; cambia la duración, no la temperatura.
Respuesta: Se congela a 0 °C y sigue cediendo calor — La energía sale durante la solidificación sin bajar la temperatura de la mezcla de agua y hielo.
Al enfriar ocurre lo mismo que al calentar, pero del revés: en la meseta la sustancia cambia de estado y la temperatura se queda quieta. La diferencia es que ahora la energía no entra, sale: cada gota que se convierte en hielo suelta calor, y hasta que no se congela toda el agua el termómetro no vuelve a bajar.
Balance calorimétricoPrueba otro caso
Dos muestras, 1 kg de agua y 1 kg de aceite, parten de la misma temperatura y absorben la misma potencia, sin pérdidas ni cambios de estado. El aceite tiene menor calor específico. ¿Cuál eleva antes su temperatura un mismo número de grados?
Se calienta una sustancia pura a presión constante. ¿Qué afirmación sobre cambios de estado y propiedades térmicas contradice el modelo de calorimetría?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: El aceite, porque necesita menos energía por cada grado — Con la misma masa, necesita menos energía por grado de aumento de temperatura.
Con la misma energía por segundo, la sustancia que necesita menos por grado sube más deprisa. Es lo que se nota friendo: el aceite llega a estar quemando en un minuto, y el agua tarda mucho más en hervir.
Respuesta: Durante un cambio de estado la temperatura sube más despacio — En el cambio de estado, la energía transforma la sustancia sin elevar su temperatura.
No sube más despacio: NO SUBE. Esa es la diferencia entre una meseta y un tramo inclinado poco empinado, y es lo que obliga a usar la otra fórmula.
Calentar y fundir
¿Qué energía necesita 0,200 kg de hielo a 0 °C para fundirse y calentar el agua hasta 10 °C? Usa Lf = 334 000 J/kg y c = 4180 J·kg⁻¹·°C⁻¹.
Solución accesible sin interacción
- Demuestra que puedes distinguir temperatura, energía interna y transferencia de energía por calor.
- Demuestra que puedes calcular energía en calentamientos y cambios de estado.
- Demuestra que puedes plantear balances de calor en sistemas aislados sencillos.
Respuesta: 75 160 J.
Q = mLf + mcΔT = 0,200·334 000 + 0,200·4180·10; durante la fusión la temperatura no aumenta.
Compruébalo ahora
¿Qué energía necesita 0,500 kg de agua para pasar de 20,0 °C a 30,0 °C? Usa c=4180 J·kg⁻¹·K⁻¹.
Ver solución explicada
Respuesta: 20,9 kJ.
Q=mcΔT=0,500·4180·10,0=20900 J=20,9 kJ.
Dos recipientes de agua están a 25 °C, pero uno contiene el doble de masa que el otro. ¿Qué afirmación es correcta?
- No hay transferencia neta de energía por calor entre ellos por estar a la misma temperatura, aunque sus energías internas pueden ser distintas
- Tienen necesariamente la misma energía interna porque marcan la misma temperatura
- El recipiente con más masa tiene una temperatura doble
Ver solución explicada
Respuesta: No hay transferencia neta de energía por calor entre ellos por estar a la misma temperatura, aunque sus energías internas pueden ser distintas
La temperatura caracteriza el estado térmico y determina el sentido de una transferencia por calor; la energía interna también depende de la cantidad de materia y del estado del sistema.
Se mezclan, en un recipiente aislado, 0,200 kg de agua a 80,0 °C y 0,300 kg de agua a 20,0 °C. Desprecia el recipiente y calcula la temperatura final.
Ver solución explicada
Respuesta: 44,0 °C.
Al ser la misma sustancia, c se cancela: 0,200(80−Tf)=0,300(Tf−20). De ahí 16−0,2Tf=0,3Tf−6 y Tf=44 °C, dentro del intervalo inicial.
Alineación curricular y fuentes
- Física y Química · 1.º de Bachillerato · bloque F: variables termodinámicas, temperatura, transferencias con el entorno, calor específico y calor latente. · Real Decreto 243/2022, currículo básico de Bachillerato
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