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La capacidad térmica y el calor específico
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¿Qué le pasa a la energía cinética al subir la temperatura?
Kim y Philip quieren hacer té. ¡Has puesto demasiada agua, Philip! Va a tardar siglos en hervir. Kim tiene razón. Para hervir mucha agua se necesita más tiempo y energía. ¿Por qué? Al calentar agua, se transfiere energía térmica desde el hervidor hasta el agua.
La temperatura del agua sube porque las partículas en su interior empiezan a moverse más deprisa. El agua absorbe la energía térmica que se convierte en energía de movimiento - la energía cinética de las partículas. De esta manera se almacena la energía en el interior del agua. La cantidad de calor que una sustancia puede absorber y almacenar es su CAPACIDAD CALORÍFICA. La capacidad calorífica depende de tres factores: - cuánto varía la temperatura - cuánta sustancia hay - y qué sustancia es.
Una temperatura más alta significa más energía cinética de los átomos. Por lo que cuanto más subimos la temperatura, más energía se almacena en la sustancia. La cantidad de sustancia importa porque determina la cantidad de partículas que hay. Cada partícula en el interior de una sustancia almacena energía, por lo tanto, cuantas más haya, más energía pueden absorber y almacenar. Contar las partículas sería muy poco práctico así que se usa la masa para expresar la cantidad de sustancia.
Para averiguar qué tipo de sustancia tiene que ver con la capacidad calorífica... ¡hagamos un experimento! Necesitamos dos recipientes de cristal idénticos. Llenamos uno con agua y el otro con la misma cantidad pero de etanol. Pongámoslos sobre un hornillo a la misma temperatura durante el mismo tiempo: 60 segundos. Si ahora medimos la temperatura de cada recipiente, ¿habrá diferencia entre ellos?
Pues veamos... ¡El etanol está mucho más caliente que el agua! Eso se debe a que el etanol y el agua están compuestos por moléculas distintas conectadas y ordenadas de manera diferente. En algunas sustancias, a los átomos les resulta más fácil moverse: la energía cinética aumenta más rápidamente, al igual que la temperatura. Otras sustancias, como el agua, necesitan absorber más energía del exterior para hacer que sus átomos se muevan. La energía cinética de sus átomos aumenta poco a poco, al igual que su temperatura.
La cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un kilogramo de sustancia en un grado centígrado o un Kelvin es específica para esa sustancia. Esto se conoce como CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA, o simplemente CALOR ESPECÍFICO. Las sustancias con un calor específico alto, como el agua, pueden absorber y almacenar más calor que las que tienen un calor específico más bajo, como el etanol. El valor de calor específico de muchas sustancias podemos buscarlo en una tabla. Pero, ¿y si tenemos un objeto y no sabemos de qué sustancia está hecho, como esta bola metálica?
No podemos encontrar su calor específico en la tabla, pero ¡podemos calcularlo nosotros mismos! Sabemos que pesa medio kilo y que para calentarse hasta 50 kelvins necesitamos 3250 unidades de energía - julios. Estos datos los metemos en una fórmula: energía - 3250 julios - dividida entre masa - medio kilo - y la diferencia de temperatura - 50 kelvins, y obtenemos que el resultado - el calor específico de este metal es igual a 130 julios por kilogramo kelvin. Hm, si el calor específico del agua es aproximadamente 4200 julios por kilogramo kelvin, ¿podrías decir qué se calienta antes: medio kilo de agua o esta bola de metal?