Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrá:
- Definir la energía, distinguir los tipos de energía y describir la naturaleza de los cambios energéticos que acompañan a los cambios químicos y físicos
- Distinguir las propiedades relacionadas con el calor, la energía térmica y la temperatura
- Definir y distinguir el calor específico y la capacidad calorífica y describir las implicaciones físicas de ambos
- Realizar cálculos relacionados con el calor, el calor específico y el cambio de temperatura
Los cambios químicos y los cambios de energía que los acompañan son partes importantes de nuestro mundo cotidiano (Figura 5.2). Los macronutrientes de los alimentos (proteínas, grasas y carbohidratos) sufren reacciones metabólicas que proporcionan la energía necesaria para que nuestro cuerpo funcione. Quemamos diversos combustibles (gasolina, gas natural, carbón) para producir energía para el transporte, la calefacción y la generación de electricidad. Las reacciones químicas industriales utilizan enormes cantidades de energía para producir materias primas (como el hierro y el aluminio). La energía se utiliza entonces para fabricar esas materias primas en productos útiles, como automóviles, rascacielos y puentes.
Más del 90% de la energía que utilizamos procede del Sol. Diariamente, el Sol envía a la Tierra casi 10.000 veces la cantidad de energía necesaria para satisfacer todas las necesidades energéticas del mundo ese día. Nuestro reto es encontrar formas de convertir y almacenar la energía solar entrante para poder utilizarla en reacciones o procesos químicos que sean convenientes y no contaminantes. Las plantas y muchas bacterias captan la energía solar mediante la fotosíntesis. Liberamos la energía almacenada en las plantas cuando quemamos madera o productos vegetales como el etanol. También utilizamos esta energía para alimentar nuestro cuerpo comiendo alimentos que provienen directamente de las plantas o de animales que obtuvieron su energía comiendo plantas. La quema de carbón y petróleo también libera la energía solar almacenada: estos combustibles son materia vegetal y animal fosilizada.
En este capítulo se presentan las ideas básicas de una importante área de la ciencia que se ocupa de la cantidad de calor absorbida o liberada durante los cambios químicos y físicos, un área llamada termoquímica. Los conceptos introducidos en este capítulo se utilizan ampliamente en casi todos los campos científicos y técnicos. Los científicos de la alimentación los utilizan para determinar el contenido energético de los alimentos. Los biólogos estudian la energía de los organismos vivos, como la combustión metabólica del azúcar en dióxido de carbono y agua. Las industrias del petróleo, el gas y el transporte, los proveedores de energías renovables y muchos otros se esfuerzan por encontrar mejores métodos para producir energía para nuestras necesidades comerciales y personales. Los ingenieros se esfuerzan por mejorar la eficiencia energética, encontrar mejores formas de calentar y enfriar nuestros hogares, refrigerar nuestros alimentos y bebidas y satisfacer las necesidades de energía y refrigeración de las computadoras y la electrónica, entre otras aplicaciones. Entender los principios termoquímicos es esencial para químicos, físicos, biólogos, geólogos, todo tipo de ingenieros y casi cualquier persona que estudie o haga cualquier tipo de ciencia.
Energía
La energía puede definirse como la capacidad de suministrar calor o realizar un trabajo. Un tipo de trabajo (w) es el proceso de hacer que la materia se mueva contra una fuerza opuesta. Por ejemplo, cuando inflamos un neumático de bicicleta realizamos un trabajo: movemos la materia (el aire de la bomba) contra la fuerza opuesta del aire que ya está en el neumático.
Al igual que la materia, la energía se presenta en diferentes tipos. Un esquema clasifica la energía en dos tipos: la energía potencial, que es la que tiene un objeto debido a su posición, composición o condición relativa, y la energía cinética, que es la que posee un objeto debido a su movimiento. El agua en la cima de una cascada o una presa tiene energía potencial debido a su posición; cuando fluye hacia abajo a través de los generadores, tiene energía cinética que puede ser utilizada para trabajar y producir electricidad en una planta hidroeléctrica (Figura 5.3). Una batería tiene energía potencial porque las sustancias químicas que contiene pueden producir electricidad que puede realizar un trabajo.
La energía puede convertirse de una forma a otra, pero toda la energía presente, antes de que se produzca un cambio, siempre existe de alguna forma después de que se complete el cambio. Esta observación se expresa en la ley de conservación de la energía: durante un cambio físico o químico, la energía no puede crearse ni destruirse, aunque sí puede cambiar de forma. (Esta es también una versión de la primera ley de termodinámica, como aprenderá más adelante).
Cuando una sustancia se convierte en otra, siempre hay una conversión asociada de una forma de energía en otra. Por lo general, el calor se libera o se absorbe, pero a veces la conversión implica luz, energía eléctrica o alguna otra forma de energía. Por ejemplo, la energía química (un tipo de energía potencial) se almacena en las moléculas que componen la gasolina. Cuando la gasolina se quema en los cilindros del motor de un automóvil, los productos gaseosos de esta reacción química, que se expanden rápidamente, generan energía mecánica (un tipo de energía cinética) cuando mueven los pistones de los cilindros.
Según la ley de conservación de la materia (vista en un capítulo anterior), no hay un cambio detectable en la cantidad total de materia durante un cambio químico. Cuando se producen reacciones químicas, los cambios de energía son relativamente modestos y los cambios de masa son demasiado pequeños para medirlos, por lo que las leyes de conservación de la materia y la energía se mantienen. Sin embargo, en las reacciones nucleares, los cambios de energía son mucho mayores (en factores de un millón o más), los cambios de masa son medibles y las conversiones materia-energía son significativas. Esto se examinará con más detalle en un capítulo posterior sobre la química nuclear.
Energía térmica, temperatura y calor
La energía térmica es la energía cinética asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. La temperatura es una medida cuantitativa de "calor" o "frío". Cuando los átomos y las moléculas de un objeto se mueven o vibran rápidamente, tienen una energía cinética (Kinetic Energy, KE) media más alta y decimos que el objeto está "caliente". Cuando los átomos y las moléculas se mueven lentamente, tienen una KE media más bajo y decimos que el objeto está "frío" (Figura 5.4). Suponiendo que no se produzca ninguna reacción química o cambio de fase (como la fusión o la vaporización), el aumento de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura aumente. Y, suponiendo que no se produzca ninguna reacción química o cambio de fase (como la condensación o la congelación), la disminución de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura disminuya.
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Presione en esta simulación interactiva para ver los efectos de la temperatura en el movimiento molecular.
La mayoría de las sustancias se expanden al aumentar su temperatura y se contraen al disminuirla. Esta propiedad puede utilizarse para medir los cambios de temperatura, como se muestra en la Figura 5.5. El funcionamiento de muchos termómetros depende de la expansión y contracción de las sustancias en respuesta a los cambios de temperatura.
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La siguiente demostración permite ver los efectos del calentamiento y el enfriamiento de una tira bimetálica enrollada.
El calor (q) es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. El flujo de calor (término redundante, pero de uso común) aumenta la energía térmica de un cuerpo y disminuye la del otro. Supongamos que tenemos inicialmente una sustancia de alta temperatura (y alta energía térmica) (H) y una sustancia de baja temperatura (y baja energía térmica) (L). Los átomos y moléculas de H tienen una KE media mayor que los de L. Si ponemos la sustancia H en contacto con la sustancia L, la energía térmica fluirá espontáneamente de la sustancia H a la sustancia L. La temperatura de la sustancia H disminuirá, al igual que la KE media de sus moléculas; la temperatura de la sustancia L aumentará, junto con la KE media de sus moléculas. El flujo de calor continuará hasta que las dos sustancias estén a la misma temperatura (Figura 5.6).
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Presione en la simulación PhET para explorar las formas y los cambios de la energía. Visite la pestaña Sistemas de energía para crear combinaciones de fuentes de energía, métodos de transformación y resultados. Presione en los símbolos de energía para visualizar la transferencia de energía.
La materia que sufre reacciones químicas y cambios físicos puede liberar o absorber calor. Un cambio que libera calor se llama proceso exotérmico. Por ejemplo, la reacción de combustión que se produce al utilizar un soplete oxiacetilénico es un proceso exotérmico; este proceso también libera energía en forma de luz, tal y como demuestra la llama del soplete (Figura 5.7). Una reacción o cambio que absorbe calor es un proceso endotérmico. Una compresa fría utilizada para tratar las distensiones musculares es un ejemplo de proceso endotérmico. Cuando las sustancias de la compresa fría (agua y una sal como el nitrato de amonio) se juntan, el proceso resultante absorbe el calor, lo que provoca la sensación de frío.
Históricamente, la energía se medía en unidades de calorías (cal). Una caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar un gramo de agua 1 grado C (1 kelvin). Sin embargo, esta cantidad depende de la presión atmosférica y de la temperatura inicial del agua. La facilidad para medir los cambios energéticos en calorías ha hecho que la caloría se siga utilizando con frecuencia. La Caloría (con C mayúscula), o caloría grande, utilizada habitualmente para cuantificar el contenido energético de los alimentos, es una kilocaloría. La unidad SI de calor, trabajo y energía es el julio. Un julio (J) se define como la cantidad de energía utilizada cuando una fuerza de 1 newton mueve un objeto 1 metro. Se llama así en honor al físico inglés James Prescott Joule. Un julio equivale a 1 kg m2/s2, que también se denomina 1 newton-metro. Un kilojulio (kJ) equivale a 1.000 julios. Para normalizar su definición, se ha establecido que 1 caloría equivale a 4,184 julios.
Ahora introducimos dos conceptos útiles para describir el flujo de calor y el cambio de temperatura. La capacidad calorífica (C) de un cuerpo de materia es la cantidad de calor (q) que absorbe o libera cuando experimenta un cambio de temperatura (ΔT) de 1 grado Celsius (o, equivalentemente, 1 kelvin):
La capacidad calorífica viene determinada tanto por el tipo como por la cantidad de sustancia que absorbe o libera calor. Se trata, pues, de una propiedad extensiva: su valor es proporcional a la cantidad de la sustancia.
Por ejemplo, considere la capacidad calorífica de dos sartenes de hierro fundido. La capacidad calorífica de la sartén grande es cinco veces mayor que la de la sartén pequeña porque, aunque ambas están hechas del mismo material, la masa de la sartén grande es cinco veces mayor que la de la sartén pequeña. Más masa significa que hay más átomos en la sartén más grande, por lo que se necesita más energía para hacer que todos esos átomos vibren más rápido. La capacidad calorífica de la sartén pequeña de hierro fundido se observa que se necesita 18 150 J de energía para elevar la temperatura de la sartén en 50,0 °C:
La sartén más grande de hierro fundido, aunque está hecha de la misma sustancia, requiere 90 700 J de energía para elevar su temperatura en 50,0 °C. La sartén más grande tiene una capacidad térmica (proporcionalmente) mayor porque la mayor cantidad de material requiere una cantidad (proporcionalmente) mayor de energía para producir el mismo cambio de temperatura:
La capacidad calorífica específica (c) de una sustancia, comúnmente llamada "calor específico", es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 grado Celsius (o 1 kelvin):
La capacidad calorífica específica depende únicamente del tipo de sustancia que absorbe o desprende calor. Es una propiedad intensiva: lo único que importa es el tipo, pero no la cantidad, de la sustancia. Por ejemplo, la sartén pequeña de hierro fundido tiene una masa de 808 g. Por lo tanto, el calor específico del hierro (el material utilizado para fabricar la sartén) es:
La sartén grande tiene una masa de 4040 g. Utilizando los datos de esta sartén, también podemos calcular el calor específico del hierro:
Aunque la sartén grande tiene más masa que la pequeña, como ambas están hechas del mismo material, ambas dan el mismo valor de calor específico (para el material de construcción, el hierro). Observe que el calor específico se mide en unidades de energía por temperatura y por masa y es una propiedad intensiva, ya que se deriva de un cociente de dos propiedades extensivas (calor y masa). La capacidad calorífica molar, también una propiedad intensiva, es la capacidad calorífica por mol de una determinada sustancia y tiene unidades de J/mol °C (Figura 5.8).
El agua tiene un calor específico relativamente alto (unos 4,2 J/g °C para el líquido y 2,09 J/g °C para el sólido); la mayoría de los metales tienen calores específicos mucho más bajos (normalmente menos de 1 J/g °C). El calor específico de una sustancia varía un poco con la temperatura. Sin embargo, esta variación suele ser lo suficientemente pequeña como para que tratemos el calor específico como constante en el rango de temperaturas que se considerará en este capítulo. Los calores específicos de algunas sustancias comunes se enumeran en la Tabla 5.1.
| Sustancia | Símbolo (estado) | Calor específico (J/g °C) |
|---|---|---|
| helio | He (g) | 5,193 |
| agua | H2O(l) | 4,184 |
| etanol | C2H6O(l) | 2,376 |
| hielo | H2O(s) | 2,093 (a -10 °C) |
| vapor de agua | H2O(g) | 1,864 |
| nitrógeno | N2(g) | 1,040 |
| aire | 1,007 | |
| oxígeno | O2(g) | 0,918 |
| aluminio | Al(s) | 0,897 |
| dióxido de carbono | CO2(g) | 0,853 |
| argón | Ar(g) | 0,522 |
| hierro | Fe(s) | 0,449 |
| cobre | Cu(s) | 0,385 |
| plomo | Pb(s) | 0,130 |
| oro | Au(s) | 0,129 |
| silicio | Si(s) | 0,712 |
Si conocemos la masa de una sustancia y su calor específico, podemos determinar la cantidad de calor, q, que entra o sale de la sustancia midiendo el cambio de temperatura antes y después de ganar o perder calor:
En esta ecuación, c es el calor específico de la sustancia, m es su masa y ΔT (que se lee "delta T") es el cambio de temperatura, Tfinal − Tinicial. Si una sustancia gana energía térmica, su temperatura aumenta, su temperatura final es mayor que su temperatura inicial, Tfinal − Tinicial tiene un valor positivo, y el valor de q es positivo. Si una sustancia pierde energía térmica, su temperatura disminuye, la temperatura final es menor que la inicial, Tfinal − Tinicial tiene un valor negativo, y el valor de q es negativo.
Ejemplo 5.1
Medición del calor
Un matraz con 8,0 102 g de agua se calienta y la temperatura del agua aumenta de 21 °C a 85 °C. ¿Cuánto calor ha absorbido el agua?Solución
Para responder esta pregunta considere estos factores:- El calor específico de la sustancia que se calienta (en este caso, el agua).
- La cantidad de sustancia que se calienta (en este caso, 8,0 × 102 g).
- La magnitud del cambio de temperatura (en este caso, de 21 °C a 85 °C).
El calor específico del agua es de 4,184 J/g °C, por lo que para calentar 1 g de agua 1 °C se necesitan 4,184 J. Observamos que como se necesitan 4,184 J para calentar 1 g de agua 1 °C, necesitaremos 800 veces más para calentar 8,0 × 102 g de agua 1 °C. Finalmente, observamos que como se necesitan 4,184 J para calentar 1 g de agua 1 °C, necesitaremos 64 veces más para calentarla 64 °C (es decir, de 21 °C a 85 °C).
Esto se puede resumir con la ecuación:
Como la temperatura aumentó, el agua absorbió calor y q es positivo.
Compruebe lo aprendido
¿Cuánto calor, en julios, hay que añadir a una sartén de hierro de 502 g para aumentar su temperatura de 25 °C a 250 °C? El calor específico del hierro es de 0,449 J/g °C.Respuesta:
5,07 104 J
Tenga en cuenta que la relación entre el calor, el calor específico, la masa y el cambio de temperatura puede utilizarse para determinar cualquiera de estas cantidades (no solo el calor) si se conocen las otras tres o se pueden deducir.
Ejemplo 5.2
Determinación de otras cantidades
Un trozo de metal desconocido pesa 348 g. Cuando la pieza de metal absorbe 6,64 kJ de calor, su temperatura aumenta de 22,4 °C a 43,6 °C. Determine el calor específico de este metal (lo que podría proporcionar una pista sobre su identidad).Solución
Dado que se conocen la masa, el calor y el cambio de temperatura de este metal, podemos determinar su calor específico utilizando la relación:Sustituyendo los valores conocidos:
Resolver:
Comparando este valor con los valores de la Tabla 5.1, este valor coincide con el calor específico del aluminio, lo que sugiere que el metal desconocido puede ser aluminio.
Compruebe lo aprendido
Un trozo de metal desconocido pesa 217 g. Cuando la pieza de metal absorbe 1,43 kJ de calor, su temperatura aumenta de 24,5 °C a 39,1 °C. Determine el calor específico de este metal y prediga su identidad.Respuesta:
c = 0,451 J/g °C; es probable que el metal sea hierro
La química en la vida cotidiana
Centrales de energía térmica solar
La luz solar que llega a la Tierra contiene miles de veces más energía de la que actualmente captamos. Los sistemas solares térmicos ofrecen una posible solución al problema de convertir la energía del sol en energía que podamos utilizar. Las plantas termosolares a gran escala tienen diferentes características de diseño, pero todas concentran la luz solar para calentar alguna sustancia; el calor "almacenado" en esa sustancia se convierte entonces en electricidad.
La estación generadora de Solana, en el desierto de Sonora (Arizona), produce 280 megavatios de potencia eléctrica. Utiliza espejos parabólicos que enfocan la luz solar en tubos llenos de un fluido de transferencia de calor (Heat Transfer Fluid, HTF) (Figura 5.9). Los HTF hacen entonces dos cosas: Convierten el agua en vapor, que hace girar las turbinas, que a su vez producen electricidad y funden y calientan una mezcla de sales, que funciona como sistema de almacenamiento de energía térmica. Cuando se pone el Sol, la mezcla de sales fundidas puede liberar suficiente calor almacenado para producir vapor y hacer funcionar las turbinas durante 6 horas. Las sales fundidas se utilizan porque poseen una serie de propiedades beneficiosas, entre las que se incluyen altas capacidades térmicas y conductividades térmicas.
El sistema de generación solar Ivanpah, de 377 megavatios, situado en el desierto de Mojave (California), es la mayor central termosolar del mundo (Figura 5.10). Sus 170.000 espejos enfocan enormes cantidades de luz solar en tres torres llenas de agua, produciendo vapor a más de 538 °C que impulsa las turbinas productoras de electricidad. Produce suficiente energía para alimentar 140.000 hogares. El agua se utiliza como fluido de trabajo debido a su gran capacidad térmica y calor de vaporización.