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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

Laboratorio de Termodinámica Práctica 6. CAPACIDAD TÉRMICA

16 de abril del 2020.

CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA Y CAPACIDAD TÉRMICA Distintas sustancias tienen distintas capacidades para almacenar energía interna. Si calentamos un cazo de sopa sobre la estufa quizá observemos que se requieren 15 minutos para elevar su temperatura desde la temperatura ambiente hasta su punto de ebullición. Pero si ponemos al fuego una masa equivalente de hierro veríamos que su temperatura recorre el mismo intervalo en sólo unos 2 minutos. Si se tratase de plata, el tiempo necesario sería menos de un minuto. Observamos que para materiales distintos se requieren distintas cantidades de calor para elevar la temperatura de una masa dada un cierto número de grados.

La misma cantidad de calor se aplica a diferentes masas de agua. La masa mayor experimenta una menor elevación de temperatura.

Las sustancias absorben energía en formas distintas. Una parte de la energía hace aumentar la rapidez de traslación de las moléculas. Este tipo de movimiento es responsable del aumento de la temperatura. Otra fracción de la energía absorbida puede acelerar la rotación de las moléculas o sus vibraciones internas. Otra parte puede estirar los lazos intermoleculares y almacenarse en forma de energía potencial. Pero estos tipos de energía no son medidas de la temperatura. La temperatura es únicamente una medida de la energía cinética asociada al movimiento de traslación. En general, sólo una porción de la energía que absorbe una sustancia eleva su temperatura.

Observamos que la condición inicial es la misma para cada experimento, pero que la temperatura de equilibrio para cada caso es diferente.

Existe una propiedad característica de cada sustancia que está íntimamente relacionada con la transferencia de energía y es la responsable en gran medida de la variación de temperatura que experimentan los materiales. Existe una propiedad característica de cada sustancia que está relacionada con la transferencia de calor entre los sistemas. Es decir, que el flujo de calor es proporcional a la masa y a la variación de temperatura: Q ∝ m∆T Q = mc∆T Donde m es la masa de la sustancia, ∆T la variación de temperatura y c es una constante de proporcionalidad característica de cada sustancia. En termodinámica, esta constante de proporcionalidad c recibe el nombre de capacidad térmica específica (también llamada capacidad calorífica específica o calor específico), De la ecuación anterior se deduce que:

c=

Q m∆ T

Las unidades en las que se expresa la capacidad térmica específica son: Sistema Internacional: [

J ] kgK

Sistema Inglés: [

Btu ¿ 1b° F

Unidades de uso común: [

cal ¿ g°C

La capacidad térmica específica de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 grado la temperatura de una masa unitaria de dicha sustancia. Como esta propiedad está definida para una masa fija de sustancia, quiere decir que es una propiedad intensiva. Balance energético. Si el sistema está aislado (agua-metal), el intercambio energético se da exclusivamente entre el agua y el metal y se tiene que la energía que uno de ellos cede, el otro la gana en igual cantidad, de tal forma que: Qganado = ‒Qcedido Sistema que gana energía = A (agua) QA Sistema que cede energía = B (metal) QB Después de un tiempo, alcanzarán el equilibrio térmico, lo que significa que ambos tendrán la misma temperatura de equilibrio Teq, y entonces: QA = mA cA (Teq – TiA) QB = mB cB (Teq – TiB) mA cA (Teq – Ti,A) = ‒mB cB (Teq – Ti,B) Donde mA y mB son las masas de agua y metal, c A y cB son las capacidades térmicas específicas del agua y el metal, mientras que Ti, A y Ti,B son las temperaturas iniciales del agua y del metal respectivamente. Temperatura de equilibrio. Partiendo de la ecuación del balance energético para dos sistemas: mA cA (Teq – Ti,A) = ‒mB cB (Teq – Ti,B) Podemos despejar la temperatura de equilibrio y tenemos que: Teq=

mAcATi , A+mBcBTi , B mAcA +mBcB

Capacidad térmica La capacidad térmica (o capacidad calorífica), C, puede evaluar como:

C = mc

Donde C es la capacidad térmica, m es la masa de la sustancia y c es la capacidad térmica específica. Esta ecuación también puede expresarse como: Q

Q

C=mc= m m∆ T = ∆ T

Las unidades en las que se expresa la capacidad térmica son: Sistema Internacional: [ Sistema Inglés: [

J ] K

Btu ] °F

Unidades de uso común: [

cal ] °C

La capacidad térmica se define como la cantidad de energía en forma de calor que se necesita suministrar a un sistema para incrementar su temperatura en un grado Celsius. En virtud de que esta propiedad no está definida para una masa fija de sustancia, la identificamos como una propiedad extensiva. Cualquier material, de cualquier composición, requiere siempre de la misma cantidad de energía para incrementar su temperatura en un grado; en otras palabras, la capacidad térmica de los materiales es una constante (siempre y cuando no cambie su composición ni sus dimensiones). La capacidad térmica es característica de un objeto en particular, pero la capacidad térmica específica caracteriza a una sustancia. Entonces podemos

hablar, en primer término, de la capacidad térmica de una moneda de cobre pero, por otra parte, de la capacidad térmica específica del cobre.

Calor específico de los gases. En el caso de los gases, ha de distinguirse entre calor específico a volumen constante (cv) y a presión constante (c p). Por el primer principio de la termodinámica, y dado que el calentamiento de un gas a volumen constante no produce trabajo, se tiene que:

Cp > Cv En el caso particular de gases diluidos, la vinculación entre el calor específico a presión y a volumen constante sigue la llamada relación de J. R. Mayer (18141878):

Cp- Cv=NmR Siendo Nm el número de moles por unidad de masa y R la constante universal de los gases perfectos.

Fuentes de información: *Hernández. O., & Cervantes, L. (s.f). CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA Y CAPACIDAD TÉRMICA. Recuperado el 15 de abril del 2020. Sitio web: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Capacidad_Termica_21418.pdf

*hiru.eus (s.f). Calorimetría. Capacidad calorífica y calor específico. Recuperado el 15 de abril del 2020. Sitio web: https://www.hiru.eus/es/fisica/calorimetriacapacidad-calorifica-y-calor-especifico...