Capacidad
07 mar, 2013
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PRESENTACIÓN: Dos vasos idénticos se colocan en una cocina eléctrica; uno de ellos con una masa de agua y el otro con media masa de agua y media masa de un metal. El termómetro nos indica que la temperatura en el primero se eleva más lentamente debido a la diferente capacidad calorífica de los materiales implicados.
- Cappuccino and Specific Heat Versus Heat of Vaporization, Frits Hidden, Jorn Boomsma, Anton Schins, and Ed van den Berg, Phys. Teach. 50, 103 (2012).
- Measuring the Specific Heat of Metals by Cooling, William Dittrich, Leonid Minkin, and Alexander S. Shapovalov, Phys. Teach. 48, 531 (2010)
- Introducing Specific Heat Through Cooling Curves, C. R. Mattos and A. Gaspar, Phys. Teach. 40, 415 (2002)
37 responses to "Capacidad"
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una definición menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura de una determinada sustancia. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica.
Capacidad calorífica del agua: 1000 kcal/m³ °C
Capacidad calorífica del acero (metal): 950 kcal/m³ °C
Vemos que el agua tiene una capacidad calorífica mayor, y por lo tanto, se calienta más lentamente, ya que requiere más energía para su calentamiento.
A partir de la capacidad calorífica de puede definir el calor específico, que es el cociente de la capacidad calorífica y la masa de la sustancia, es decir, se define como la cantidad de calor necesaria para elevar una unidad de masa una unidad de temperatura. Hay un experimento muy sencillo de hacer que demuestra la consecuencia de que los materiales tengan diferentes capacidades caloríficas. El globo lleno de aire explota a los pocos segundos de haber tocado la llama, mientras que el globo lleno de agua no explota. Esto ocurre debido a que la capacidad calorífica másica del agua es significativamente mayor (4,181 J g-1 °C-1) que la del aire (1,012 J g-1 °C-1). Por lo tanto para calentar un grado un gramo de agua se necesita cuatro veces más de energía que para calentar un grado un gramo de aire. La llama que está entre 800-1.400 °C calienta rápidamente el aire contenido en el globo permitiendo que el polietileno con el que está fabricado el globo alcance el punto de fusión (105-130 °C). Además, el polietileno presenta un calor específico de 1,920-2,300 J g-1 °C-1 lo que indica que este material necesita la mitad de calor que el agua para aumentar su temperatura un grado. Sin embargo, cuando el globo contiene agua el punto de fusión del globo no se alcanza porque el agua absorbe mucho más calor que el aire. En este sentido también cabe destacar la importancia de la conductividad térmica, que también es en parte responsable de lo observado en el este experimento, ya que el agua transmite de forma más eficaz el calor que el aire evitando que en el punto donde toca la llama el globo se alcance la temperatura de fusión.
Primero de todo quiero indicar que la presentación no se corresponde con el texto. Ya que en ambos vasos se han puesto una masa de metal, uno tiene el doble de masa de metal que el otro. Y no se aprecia bien pero juraría que ambos vasos tienen la misma cantidad de agua.
Este experimento es simple para realizar en el laboratorio del instituto pero no estoy segura de que todos los institutos tengan los materiales, pero aquí el profesor puede usar su imaginación para sustituir por materiales muy parecidos. Lo que si que hay que gastar dinero en los medidores de temperatura conectados al ordenador, pero siempre podemos usar unos termómetros clásicos y poner a los alumnos a tomar medidas a intervalos iguales para ambos vasos.
El clásico experimento mencionado anteriormente de los globos con agua creo que es la forma más barata de observar este fenómeno. Además, para no hacerlo siempre con globos y usar también objetos cotidianos podemos sustituir los globos por botellas de plástico, como en este vídeo. De manera que podemos hacer experimentos en el laboratorio sin gastar presupuesto del departamento.
Creo que la clave de este experimento es dejar un tiempo a los alumnos pensando porqué suceden estas diferencias en el experimento. Y luego resolverlo y explicar el porqué.
Como ya se ha mencionado, la capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.
Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.
Se han comentado posibles experimentos usando globos o botellas, otro posible experimento se lleva a cabo usando vasos. Como primer paso llenamos el vaso con agua. A continuación, encendemos un mechero y lo colocamos debajo del vaso. Podremos ver que el vaso no se quema. En cambio, si hacemos lo mismo pero con el vaso vacío, el vaso se quemará hasta deshacerse.
+info
Antes del desarrollo de la termodinámica moderna, se pensaba que el calor era un fluido invisible, conocido como calórico. Los cuerpos eran capaces de almacenar una cierta cantidad de ese fluído, de ahí el término capacidad calorífica, nombrada e investigada por vez primera por el químico escocés Joseph Black en la década de 1750. En la actualidad, la noción de calórico ha sido sustituida por la noción de la energía interna de un sistema. Es decir, el calor ya no se considera un fluido si no una transferencia de energía desordenada. Sin embargo, en muchos idiomas, la expresión capacidad calórica (heat capacity) sobrevive aunque en otras se usa capacidad térmica (thermal capacity).
En 1850 James Joule (1818-1889) demostró que la ganancia o pérdida de una cantidad determinada de calor venía acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente a energía mecánica. El calor es una forma de energía interna y es la energía la magnitud que se conserva.
La energía interna de un objeto es su energía total en el sistema de referencia del centro de masas del objeto.
Cuando un objeto caliente está en contacto con uno más frío, la energía que se transfiere del objeto caliente al frío debido a la diferencia de temperaturas de denomina calor.
La unidad histórica de la energía calorífica es la caloría, se definió originalmente como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado de Celsius.
La caloría se define ahora en función de la unidad de la energía del SI, el joule: 1cal=4,184 J
El compuesto esencial de la Tierra es el agua, y una de sus propiedades es su calor específico, que es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius. El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C, siendo más alto que el de la mayoría de los compuestos del planeta. Debido a esta peculiaridad, el agua es un termorregulador natural, y eso es apreciable en las zonas de costa. Si comparamos una ciudad como Madrid y Lisboa, ambas se encuentran casi a la misma latitud, pero Madrid tiene una oscilación térmica mayor entre invierno y verano, e incluso durante el día y la noche, que Lisboa. Las heladas no son frecuentes en zonas de costa, lo que provoca que se desarrolle vegetación a lo largo del año.
Relacionado con la capacidad calorífica también está el calor de vaporización, valor, que en el caso del agua es el mayor de todos los líquidos. Esta propiedad nos explica los procesos de enfriamiento que se producen con la evaporación del sudor, o el enfriamiento del ambiente en verano cuando riegan las calles o una terraza. El agua, curiosamente, tiene su valor menor de capacidad calorífica a 36º C. Es decir, que a esa temperatura (Normalmente estamos a 36-37) nos resulta algo mas complicado sudar. No vaya a ser que perdamos agua inutilmente.
Este pasado verán funme de camping cuns amigos e cando estábamos a quentar auga nun camping gas para facer a comida, un deles comentoume que na súa casa tiñan un truco para facer que a auga fervese antes. Ese truco consiste en votarlle sal e é certo, a auga con sal ferve antes que a auga soa.
Así que no medio do camping nos puxemos a pensar na razón disto e chegamos á conclusión de que que o sal, ao estar composto por dous ións (Na+ e Cl-) interfire nas pontes de hidróxeno da auga, o cal reduce o seu calor específico e fai que a auga ferva antes.
Alguén me podería confirmar isto?
En la página 16 de este documento hay una gráfica que refleja el descenso de la capacidad calorífica del agua al aumentar su salinidad, lo que como ya se ha dicho hace que el agua se caliente antes. Por otra parte, al añadir un soluto a un disolvente aumentas la temperatura de ebullición del mismo (aumento ebulloscópico), por lo tanto se retarda el comienzo de la ebullición del agua. Supongo que el primer efecto es más importante que el segundo y por eso el agua hierve antes.
Moi interesante esta reflexión que fai analizar a maior ou menor influencia de dous feitos contrapostos.!!
La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno. En el vídeo se comprueba la diferencia de capacidad calorífica del agua y de un metal de forma sencilla. Los materiales comunes como el agua poseen una gran capacidad calorífica, siendo necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1.0 °K. Para los sistemas biológicos esto es muy importante pues la temperatura celular se modifica muy poco como respuesta al metabolismo. De la misma forma, los organismos acuáticos, si el agua no poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no existirían.
Los metales, en general, también poseen una gran capacidad calorífica pero es menor que la del agua, por ello que tarde más en calentarse el recipiente con ésta.
En el siguiente enlace vemos un vídeo de un experimento simple que demuestra la gran capacidad calorífica del agua y la gran capacidad de absorción de energía, es decir tarda mucho en calentarse y en enfriarse.
La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema. En el caso concreto del agua, es muy elevada y esto tiene implicaciones muy importantes en biología, ya que es una propiedad que permite que los seres vivos mantengan su temperatura constante, también hace que la temperatura celular no cambie a pesar de la actividad metabólica, y posibilita por ejemplo, la existencia de organismos acuáticos.
La capacidad calorífica de una substancia, es una magnitud física que indica la capacidad de un material, para almacenar energía interna en forma de calor.
Es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de substancia. Usando el SI, es la cantidad de julios de energía necesaria para elevar en 1K la temperatura de 1Kg de masa. Se puede representar generalmente J/Kg ºC o cal/g ºC.
Por ejemplo, el calor especifico del agua líquida es 1 cal/g ºC. Esto significa que se necesita una caloría, para elevar en un grado Celsius, la temperatura de un gramo de agua.
Descrito de manera más pedestre, la capacidad calorífica nos indica la diferencia de energía necesaria, comparando dos objetos de igual masa, para elevar su temperatura en un grado. Éste es el motivo por el que, a igual temperatura ambiental, dos objectos de nuestro entorno puedan parecer «fríos» o no al tacto, a pesar de estar a la misma temperatura: es su mayor capacidad de captar calor la que nos hace notarlos como «fríos». Este principio es muy usado en la industria química y la farmacéutica. Por citar un ejemplo, está el empleo de las esencias vegetales purificadas (mentol, alcanfor, eucaliptol…), sustancias muy volátiles de baja capacidad calorífica (gran cambio en su temperatura a poca energía transmitida) usadas en todo tipo de geles y pomadas por su eficacia en el tratamiento de lesiones articulares y musculares.
La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En el siguiente vídeo se puede ver una practica donde se determina la capacidad calorífica de distintos líquidos en el laboratorio.
Comprender el concepto de capacidad calorífica nos puede ayudar a entender que si tocamos con un dedo el agua de una olla puesta al fuego y la notamos «calentita», mejor ¡no hagamos lo mismo con la olla!
As distintas capacidades caloríficas do mar e da terra están na base dos ventos coñecidos como brisas e terrais. Polo día, a terra quéntase antes co mar, xa que ten menor capacidade calorífica, polo que o aire en contacto coa mesma quéntase máis, ascende e flúe cara ao mar. Ao chegar ao mar arrefría, descende e volve cara á terra polas capas baixas, fornecéndonos do agradable frescor das tardes de verán da praia. Porén, pola noite, a terra arrefríase antes co mar, polo tanto o aire nas capas baixas tenderá a cicular da terra ao mar, onde se quentará máis e ascenderá, volvendo cara á terra a unha maior altura.
A auga posúe unha capacidade calorífica moi elevada polo que é necesaria unha grande cantidade de calor para elevar a súa temperatura 1.0 ºK. Esto é de suma importancia en sistemas biolóxicos xa que a temperatura celular se modifica moi pouco en resposta ó metabolismo e, por outra banda, os organismos acuáticos veríanse moi afectados ou simplemente non existirían se a auga non tivera esta característica, como se indica na seguinte presentación. Como consecuencia, como a vida xurdiu en medios acuáticos, se a auga non tivera unha capacidade calorífica tan elevada, as formas de vida terrestres pode que fosen diferentes ou simplemente pode que non existisen: que sabe.
Como ya se introdujo en algunos comentarios, la capacidad calorífica es un concepto que explica muchos fenómenos naturales y que, por lo tanto, su entendimiento facilitará que el alumnado comprenda aspectos biológicos, climáticos, etc. En el siguiente vídeo de Órbita Laika se muestran dos experimentos muy sencillos para su introducción en el aula con los cuales se observa la diferencia entre la capacidad calorífica del agua y del aire. A partir de este experimento se puede explicar porque la capacidad calorífica de los océanos es mayor que la de la atmósfera y su relación con el cambio climático.
El experimento está bien para explicar el concepto de calor específico a los alumnos pero la calidad del vídeo no es del todo buena. Otra forma de introducir el concepto de calor específico de manera más sorprendente es preguntar en clase «Que está más frío la madera de la mesa del pupitre o las patas (que suelen ser de metal?» Esto va un poco en la línea del comentario que hacía Miguel anteriormente. Los alumnos van a tener la tentación de contestar que la pata de metal está más fría, y ahí será cuando le explicaremos que ambos materiales están a la misma temperatura porque se encuentran dentro del aula y en las mismas condiciones, lo que ocurre en realidad es que tienen distinta capacidad para transmitir calor, el metal será mejor conductor térmico que la madera. Así cuando tocamos el metal nuestros dedos le transmiten calor a la pata, y al seguir “fría” la zona que está en contacto con nuestros dedos, continuamos perdiendo calor. En cambio cuando tocamos la madera, al no ser buena conductora, el calor se mantiene en la superficie que está en contacto con nuestros dedos, y éste no se propaga a lo largo del material. Un experimento muy sencillo y económico para mostrar en clase sería el que nos proponen en el siguiente enlace que consiste en coger dos cubitos de hielo de igual tamaño y ponerlos encima de dos superficies distintas (una metálica y otra de madera por ejemplo) y ver cual de los dos se derrite antes. Otra práctica de laboratorio más sofisticada para determinar el calor específico la encontramos en el siguiente enlace de la Universidad de Sonora en México.
Coincido con algúns comentarios anteriores en que a calidade do video é mellorable. A alta capacidade calorífica da auga é determinada polos enlaces de pontes de hidróxeno que forman a molécula de auga. Neste outro video , amósase a diferenza entre a capacidade calorífica da auga e do aceite. Na segunda parte do mesmo, realizan un experimento empregando un globo de aire e outro de agua baixo unha vela, comentando tamén nalgún comentario previo.
La capacidad calorífica es una propiedad propia de cada material. En consecuencia, el video aportado muestra que el agua tiene una capacidad calorífica ligeramente superior a la del metal. Ello, conduce a pensar en la fisionomía de los termos para el café o, incluso, en la bebidas autocalentables. Para este caso particular, se conoce que el recipiente contiene 3 capas: la primera contiene el líquido a calentar y es de hojalata; la segunda presenta óxido de calcio separado por una membrana de aluminio del agua; y, por último la capa externa, que es de polipropileno. Por tanto, la reacción de hidratación, que es exotérmica, genera el calor necesario para calentar la bebida. Este calor es mantenido por el recipiente de hojalata, el cual es protegido por un material aislante (Lauranoguerass, 2010; Prolongo y Pinto, 2010). En consecuencia, se propone una actividad práctica con aplicación real, asociada a conceptos termodinámicos.
Ref.:Prolongo, M.L. y Pinto, G. (2010). Las bebidas autocalentables y autoenfriables como recursos para un aprendizaje activo. EduQ, 7, 4-14.
La capacidad calorífica es un aspecto importante a tener en cuenta en la elección de los materiales de construcción de una casa por ejemplo. Dependiendo de las condiciones térmicas del lugar en el que se va a a construir y los materiales empleados para dicha construcción (y su capacidad calorífica) podremos ahorrar mucha energía a la hora de calentar o enfriar nuestra casa. En este enlace está muy bien explicado.
Podemos utilizar el concepto del calor específico de una manera más cotidiana que se puede ver en el tiempo del telediario. Si nos fijamos en las zonas costeras tienen un clima más suaves que en el interior, ya que el agua como compuesto químico tiene un calor específico alto, es decir, tarda mucho en calentarse o enfriarse a comparación con el suelo de los continentes, en invierno el agua está más caliente que el suelo del interior y en verano más fresco en cuanto a grados de temperatura.
La capacidad calorífica depende de cada material y es la cantidad de energía necesaria par aumentar un grado la temperatura de una sustancia determinada. Es decir, la capacidad calorífica de una sustancia da la idea de la facilidad que tiene para aumentar su temperatura cuando se calienta o de disminuir su temperatura cuando se le enfría. Depende de la temperatura, la composición y estado de la sustancias, de sus impurezas…
El experimento planteado está muy bien para explicar la capacidad calorífica de un material y es fácil de realizar en el laboratorio de una facultad, pero si lo que queremos es explicar este concepto en una clase de secundaria, quizás el video que añado a continuación sea más explicativo y fácil de realizar.
La capacidad calorífica se puede expresar como la cantidad de energía que hay que transferirle en forma de calor a un cuerpo para que su temperatura aumente un Kelvin. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de una sustancia, mayor será la cantidad de calor entregada a ella para subir su temperatura. Como curiosidad, una forma de disminuir la capacidad calorífica del agua consiste simplemente en añadir un poco de sal. La capacidad calorífica del agua salada es menor que la del agua dulce. Esto hace que el agua salada no sea tan resistente a los cambios de temperatura como el agua dulce, por lo que se requiere menos calor para aumentar la temperatura del agua salada. En este sentido, también hay que decir que otro efecto de la sal en el agua es que provoca un aumento del punto de ebullición. En este enlace se encuentra más información al respecto.
Este es un claro ejemplo para entender la capacidad calorífica. La capacidad calorífica es la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. Los metales tienen una capacidad calorífica específica más alta que el agua, lo que significa que requieren más energía para aumentar su temperatura en una unidad de masa en comparación con el agua. La capacidad calorífica se utiliza en una variedad de industrias para mejorar la eficiencia energética y reducir los costos de producción. Este fenómeno se emplea mucho en industrias como la industria química, la industria textil y la industria automotriz.
Cada objeto que nos encontramos tiene una diferente capacidad de conducción. Hay diferentes tipos de conducción, la eléctrica, la de calor. Por ejemplo la madera tiene más facilidad de quemarse en cambio tiene menos para conducir la electricidad. En cambio el metal es lo contrario.
El experimento es muy interesante, sencillo a la vez que requiere un cierto manejo del material de laboratorio, lo que será muy útil para el aprendizaje del alumnado. Podría ser interesante hacer el experimento con distintos metales y comparar sus capacidades caloríficas.
En este vídeo se mezcla capacidad calorífica, con calor específico y tensión superficial… y de fácil realización!
Un experimento muy simple a la vez que interesante para explicar en cualquier aula de instituto con la participación del alumnado (este experimento me trae grandes recuerdos ya que lo tuve que exponer en clase en 4º de la ESO en Física y Química. Además, es un experimento barato que además de hacerlo con globos podría ser con cualquier material de plástico o incluso un simple vaso. Como conceptos importantes cabe destacar la capacidad calorífica (cociente entre la cantidad de energía calorífica que va de un cuerpo a otro y el cambio de temperatura que sufre). La capacidad calorífica (capacidad térmica) no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica (capacidad térmica específica) o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto.
Una manera clara y sencilla de comprobar los valores de capacidad específica de diferentes materiales.
Este vídeo no es muy impactante a la hora de realizarlo pero ilustra bien conceptos como la capacidad calorífica. Personalmente me gustan más aquellos que tienen un montaje más dinámico y quizás algo más complejo ya que diría que le genera al alumnado más «expectación», pero es cierto que es mejor mostrar este tipo de conceptos de esta manera que con el estilo tradicional de tiza y encerado.
Este es un concepto muy sencillo y puede dar explicación a muchos fenómenos. El divulgador de ciencia Javier Santaolalla muestra con dos simulaciones diferentes la capacidad calorífica del agua y el aire en este vídeo.
Contestando a alguno de los comentarios anteriores, en los que se sugería que sería interesante probar el experimento con diferentes metales, adjunto la página web de un laboratorio virtual en el que el alumnado podría experimentar él mismo, comprobando el calor específico del hierro, cobre, oro, berilio, aluminio y grafito (en el que también se puede modificar el parámetro masa). Me parece un recurso bastante práctico para utilizar en el aula ya que de esta manera podrán ver las diferencias del calor específico de diferentes materiales sin la necesidad de ir al laboratorio, que aunque es lo ideal, a veces no es posible.
Los conocimientos adquiridos después de realizar este experimento se pueden aplicar en la vida diaria, por ejemplo al elegir los utensilios con los que cocinar. Las sartenes fabricadas con materiales de alta capacidad calorífica tardan un poco más en calentarse, pero después retienen el calor durante más tiempo cuando se apaga el fuego. Conocer esta información es útil ya que permite tomar decisiones informadas