Omitir e ir al contenidoIr a la página de accesibilidadMenú de atajos de teclado
Logo de OpenStax
Química: Comenzando con los átomos 2ed

9.1 Conceptos básicos de energía

Química: Comenzando con los átomos 2ed9.1 Conceptos básicos de energía

Menú
Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  4. 3 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 3.1 Energía electromagnética
    3. 3.2 El modelo de Bohr
    4. 3.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 3.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 3.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. 3.6 La tabla periódica
    8. 3.7 Compuestos iónicos y moleculares
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  5. 4 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 4.1 Enlace iónico
    3. 4.2 Enlace covalente
    4. 4.3 Nomenclatura química
    5. 4.4 Símbolos y estructuras de Lewis
    6. 4.5 Cargas formales y resonancia
    7. 4.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  6. 5 Teorías avanzadas de enlace
    1. Introducción
    2. 5.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 5.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 5.3 Enlaces múltiples
    5. 5.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  7. 6 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 6.1 Fórmula de masa
    3. 6.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 6.3 Molaridad
    5. 6.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  8. 7 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 7.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 7.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 7.3 Estequiometría de la reacción
    5. 7.4 Rendimiento de la reacción
    6. 7.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  9. 8 Gases
    1. Introducción
    2. 8.1 Presión del gas
    3. 8.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 8.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 8.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 8.5 La teoría cinético-molecular
    7. 8.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  10. 9 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 9.1 Conceptos básicos de energía
    3. 9.2 Calorimetría
    4. 9.3 Entalpía
    5. 9.4 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 12.1 Espontaneidad
    3. 12.2 Entropía
    4. 12.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 12.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 16.1 Repaso de química redox
    3. 16.2 Celdas galvánicas
    4. 16.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 16.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 16.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 16.6 Corrosión
    8. 16.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  18. 17 Cinética
    1. Introducción
    2. 17.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 17.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 17.3 Leyes de velocidad
    5. 17.4 Leyes de tasas integradas
    6. 17.5 Teoría de colisiones
    7. 17.6 Mecanismos de reacción
    8. 17.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 20.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 20.2 Ecuaciones nucleares
    4. 20.3 Decaimiento radiactivo
    5. 20.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 20.5 Usos de los radioisótopos
    7. 20.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  22. 21 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 21.1 Hidrocarburos
    3. 21.2 Alcoholes y éteres
    4. 21.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 21.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

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 9.2). 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.

Se muestran tres imágenes etiquetadas como a, b y c. La imagen a es una hamburguesa con queso. La imagen b muestra una autopista llena de tráfico. La imagen c es una vista de un horno industrial de metal. La vista del horno muestra un fuego caliente ardiendo en su interior.
Figura 9.2 La energía implicada en los cambios químicos es importante para nuestra vida cotidiana: (a) una hamburguesa con queso para el almuerzo proporciona la energía que necesita para pasar el resto del día; (b) la combustión de la gasolina proporciona la energía que mueve su automóvil (y a usted) entre la casa, el trabajo y la escuela; y (c) el coque, una forma procesada de carbón, proporciona la energía necesaria para convertir el mineral de hierro en hierro, que es esencial para fabricar muchos de los productos que utilizamos a diario (créditos: a: modificación del trabajo de "Pink Sherbet Photography"/Flickr; b: modificación del trabajo de Jeffery Turner).

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 9.3). Una batería tiene energía potencial porque las sustancias químicas que contiene pueden producir electricidad que puede realizar un trabajo.

Se muestran dos imágenes etiquetadas como a y b. La imagen a muestra una gran cascada en la que el agua cae desde una altura elevada en la parte superior de la cascada hasta una altura inferior. La segunda foto es una vista de la presa Hoover. El agua se muestra detrás del muro alto de la presa en un lado y en la base de la presa en el otro.
Figura 9.3 (a) El agua a mayor altura, por ejemplo, en la cima de las cataratas Victoria, tiene una energía potencial mayor que el agua a menor altura. A medida que el agua cae, parte de su energía potencial se convierte en energía cinética. (b) Si el agua fluye a través de generadores en el fondo de una presa, como la presa Hoover que se muestra aquí, su energía cinética se convierte en energía eléctrica (créditos: a: modificación del trabajo de Steve Jurvetson; b: modificación del trabajo de "curimedia"/Wikimedia commons).

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 9.4). 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.

Se muestran dos dibujos moleculares etiquetados como a y b. El dibujo a es una caja que contiene catorce esferas rojas que están rodeadas por líneas que indican que las partículas se mueven rápidamente. Este dibujo tiene una etiqueta que dice "Líquido caliente". El dibujo b representa otra caja de igual tamaño que también contiene catorce esferas, pero estas son azules. Todas ellas están rodeadas de líneas más pequeñas que representan cierto movimiento de las partículas, pero no tanto como en el dibujo a. Este dibujo tiene una etiqueta que dice "Líquido frío".
Figura 9.4 (a) Las moléculas de una muestra de agua caliente se mueven más rápidamente que (b) las de una muestra de agua fría.

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 9.5. El funcionamiento de muchos termómetros depende de la expansión y contracción de las sustancias en respuesta a los cambios de temperatura.

Se muestra una imagen etiquetada como a y un par de dibujos etiquetados como b. La imagen a muestra la parte inferior de un termómetro de alcohol. El termómetro tiene una escala impresa a la izquierda del tubo en el centro que presenta desde cuarenta grados negativos en la parte inferior hasta cuarenta grados en la parte superior. También tiene una escala impresa a la derecha del tubo que va desde los treinta grados negativos en la parte inferior hasta los treinta y cinco grados en la parte superior. En ambas escalas, el volumen del alcohol en el tubo marca entre nueve y diez grados. Las dos imágenes etiquetadas como b muestran una tira metálica enrollada en espiral y compuesta de latón y acero. La bobina enrollada de la izquierda, que no está apretada, está etiquetada a lo largo de su borde superior con los 30 grados C y los 10 grados C. El extremo de la espiral enrollada está cerca de la etiqueta de los 30 grados C. La tira enrollada de la derecha está mucho más apretada y el extremo está cerca de la etiqueta de 10 grados C.
Figura 9.5 (a) En un termómetro de alcohol o mercurio, el líquido (teñido de rojo para que sea visible) se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría, mucho más que el tubo de vidrio que contiene el líquido. (b) En un termómetro bimetálico, dos metales diferentes (como el latón y el acero) forman una tira de dos capas. Cuando se calienta o se enfría, uno de los metales (el latón) se expande o se contrae más que el otro (el acero), lo que hace que la cinta se enrolle o se desenrolle. Ambos tipos de termómetros tienen una escala calibrada que indica la temperatura (créditos a: modificación del trabajo de “dwstucke”/Flickr).

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 9.6).

Se muestran tres dibujos etiquetados como a, b y c, respectivamente. El primer dibujo etiquetado como a representa dos cuadros, con un espacio entre ellos y el par está titulado "Diferentes temperaturas". El cuadro de la izquierda está etiquetado como H y contiene catorce esferas rojas bien espaciadas con líneas dibujadas alrededor para indicar el movimiento rápido. El cuadro de la derecha está etiquetado como L y representa catorce esferas azules que están más juntas que las rojas y tienen líneas más pequeñas a su alrededor que muestran un menor movimiento de las partículas. El segundo dibujo etiquetado como b representa dos cuadros que se tocan entre sí. El cuadro de la izquierda está etiquetada como H y contiene catorce esferas de color granate espaciadas uniformemente. Hay pequeñas líneas alrededor de cada esfera que representan el movimiento de las partículas. El cuadro de la derecha está etiquetado como L y contiene catorce esferas moradas que están ligeramente más juntas que las esferas granates. También hay pequeñas líneas alrededor de cada esfera que representan el movimiento de las partículas. Una flecha negra apunta del cuadro izquierdo al cuadro derecho y el par de diagramas lleva el título "Contacto". El tercer dibujo etiquetado como c, lleva la etiqueta "Equilibrio térmico". Se muestran dos cuadros en contacto entre sí. Ambos cuadros contienen catorce esferas de color púrpura con pequeñas líneas alrededor que representan un movimiento moderado. El cuadro de la izquierda está etiquetado como H y el de la derecha como L.
Figura 9.6 (a) Las sustancias H y L están inicialmente a temperaturas diferentes y sus átomos tienen energías cinéticas medias distintas. (b) Cuando entran en contacto, las colisiones entre las moléculas dan lugar a la transferencia de energía cinética (térmica) de la materia más caliente a la más fría. (c) Los dos objetos alcanzan el "equilibrio térmico" cuando ambas sustancias están a la misma temperatura y sus moléculas tienen la misma energía cinética media.

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 9.7). 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.

Se muestran dos imágenes etiquetadas como a y b. La imagen a muestra un durmiente metálico de ferrocarril cortado con la llama de un soplete de acetileno. La imagen b muestra una bolsa fría química que contiene nitrato de amonio.
Figura 9.7 (a) Un soplete oxiacetilénico produce calor por la combustión de acetileno en oxígeno. La energía liberada por esta reacción exotérmica calienta y luego funde el metal que se corta. Las chispas son pequeños trozos del metal fundido que salen volando. (b) Una bolsa fría utiliza un proceso endotérmico para crear la sensación de frío (créditos a: modificación del trabajo de "Skatebiker"/Wikimedia commons).

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):

C=qΔTC=qΔT

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:

Csartén pequeña=18 140 J50,0°C=363J/°CCsartén pequeña=18 140 J50,0°C=363J/°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:

Csartén grande=90 700 J50,0°C=1.814J/°CCsartén grande=90 700 J50,0°C=1.814J/°C

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):

c=qmΔTc=qmΔT

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:

chierro=18 140 J(808 g)(50,0°C)=0,449 J/g °Cchierro=18 140 J(808 g)(50,0°C)=0,449 J/g °C

La sartén grande tiene una masa de 4040 g. Utilizando los datos de esta sartén, también podemos calcular el calor específico del hierro:

chierro=90 700 J(4040 g)(50,0°C)=0,449 J/g °Cchierro=90 700 J(4040 g)(50,0°C)=0,449 J/g °C

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 9.8).

La imagen muestra dos sartenes negras de metal colocadas sobre una superficie plana. La sartén izquierda es aproximadamente la mitad del tamaño de la sartén derecha.
Figura 9.8 Debido a su mayor masa, una sartén grande tiene una mayor capacidad calorífica que una sartén pequeña. Como están hechas del mismo material, ambas sartenes tienen el mismo calor específico (créditos: Mark Blaser)

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 9.1.

Calores específicos de sustancias comunes a 25 °C y 1 bar
SustanciaSímbolo (estado)Calor específico (J/g °C)
helioHe (g)5,193
aguaH2O(l)4,184
etanolC2H6O(l)2,376
hieloH2O(s)2,093 (a -10 °C)
vapor de aguaH2O(g)1,864
nitrógenoN2(g)1,040
aire1,007
oxígenoO2(g)0,918
aluminioAl(s)0,897
dióxido de carbonoCO2(g)0,853
argónAr(g)0,522
hierroFe(s)0,449
cobreCu(s)0,385
plomoPb(s)0,130
oroAu(s)0,129
silicioSi(s)0,712
Tabla 9.1

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:

q=(calor específico)×(masa de sustancia)×(cambio de temperatura)q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)q=(calor específico)×(masa de sustancia)×(cambio de temperatura)q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)

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, TfinalTinicial. Si una sustancia gana energía térmica, su temperatura aumenta, su temperatura final es mayor que su temperatura inicial, TfinalTinicial 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, TfinalTinicial tiene un valor negativo, y el valor de q es negativo.

Ejemplo 9.1

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:

q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)
=(4,184J/g°C)×(8,0x102g)×(8521)°C=(4,184J/g°C)×(8,0x102g)×(64) °C=210 000 J(=2,1×102kJ)=(4,184J/g°C)×(8,0x102g)×(8521)°C=(4,184J/g°C)×(8,0x102g)×(64) °C=210 000 J(=2,1×102kJ)

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 9.2

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:
q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)q=c×m×ΔT=c×m×(TfinalTinicial)

Sustituyendo los valores conocidos:

6640 J=c×(348 g)×(43,622,4)°C6640 J=c×(348 g)×(43,622,4)°C

Resolver:

c=6640 J(348 g)×(21,2°C)=0,900J/g °Cc=6640 J(348 g)×(21,2°C)=0,900J/g °C

Comparando este valor con los valores de la Tabla 9.1, 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 9.9). 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.

Esta figura tiene dos partes denominadas a y b. La parte a muestra filas y filas de espejos cilindro-parabólicos. La parte b muestra cómo funciona una planta termosolar. El fluido de transferencia de calor entra en un tanque a través de tuberías. El tanque contiene agua que se calienta. Al intercambiar el calor de las tuberías al agua, esta se convierte en vapor. El vapor viaja hasta una turbina de vapor. La turbina de vapor comienza a girar, lo que acciona un generador. El vapor de escape sale de la turbina de vapor y entra en una torre de refrigeración.
Figura 9.9 Esta planta termosolar utiliza espejos cilindro-parabólicos para concentrar la luz solar (créditos a: modificación del trabajo del Bureau of Land Management).

El sistema de generación solar Ivanpah, de 377 megavatios, situado en el desierto de Mojave (California), es la mayor central termosolar del mundo (Figura 9.10). 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.

Se muestran dos imágenes etiquetadas como a y b. La imagen a muestra una central térmica con tres altas torres metálicas. La imagen b es una imagen aérea de los espejos utilizados en la planta. Están dispuestos en filas.
Figura 9.10 (a) La planta termosolar de Ivanpah utiliza 170.000 espejos para concentrar la luz solar en torres llenas de agua. (b) Cubre 4.000 acres de terreno público cerca del desierto de Mojave y de la frontera entre California y Nevada (créditos: a: modificación del trabajo de Craig Dietrich; b: modificación del trabajo de "USFWS Pacific Southwest Region"/Flickr).
Cita/Atribución

¿Desea citar, compartir o modificar este libro? Este libro utiliza la Creative Commons Attribution License y debe atribuir a OpenStax.

Información de atribución
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato impreso, debe incluir en cada página física la siguiente atribución:
    Acceso gratis en https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-comenzando-%C3%A1tomos-2ed/pages/1-introduccion
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato digital, debe incluir en cada vista de la página digital la siguiente atribución:
    Acceso gratuito en https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-comenzando-%C3%A1tomos-2ed/pages/1-introduccion
Información sobre citas

© 19 may. 2022 OpenStax. El contenido de los libros de texto que produce OpenStax tiene una licencia de Creative Commons Attribution License . El nombre de OpenStax, el logotipo de OpenStax, las portadas de libros de OpenStax, el nombre de OpenStax CNX y el logotipo de OpenStax CNX no están sujetos a la licencia de Creative Commons y no se pueden reproducir sin el previo y expreso consentimiento por escrito de Rice University.