Temperatura, calor y cambios de estado
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.
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.
Calcula la energía necesaria para fundir 0,200 kg de hielo ya a 0 °C. Usa Lf=334 kJ/kg.
Ver solución explicada
Respuesta: 66,8 kJ.
Como el hielo ya está a la temperatura de fusión, solo se aplica Q=mLf=0,200·334=66,8 kJ; la temperatura no cambia durante la fusión ideal.
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
Cuando lo tengas claro
Practicar esto: Calcular la entalpía de una reacciónTrabajo, energía mecánica, potencia y rendimientoGases ideales, mezclas y concentración de disoluciones