La termoquímica es una rama de la química que estudia la relación entre el calor y las reacciones químicas o los cambios físicos de estado. Uno de los conceptos clave en este campo es la calor específica, una propiedad que nos indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una masa determinada de sustancia. A menudo surgen dudas sobre cómo calcular la variación de la energía interna de un sistema a partir de esta propiedad, en particular cuando se trabaja con líquidos como el agua. En este artículo, abordaremos un ejercicio práctico que ilustra cómo se lleva a cabo este cálculo y resolveremos algunas de las incertidumbres más comunes relacionadas con el primer principio de la termodinámica y la variación de volumen en procesos a temperatura constante.
¿Qué es la calor específica?
La calor específica (c) es la cantidad de energía en forma de calor que se requiere para aumentar en un grado Kelvin (o Celsius) la temperatura de un kilogramo de una sustancia. Se mide en kilojulios por kilogramo Kelvin (kJ/kg·K), y es fundamental para entender cómo las sustancias absorben o liberan calor.
Calor específica del agua
En el caso del agua, su calor específica es de 4180 kJ/kg·K. Esta propiedad nos indica que para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Kelvin, se necesitan 4180 kilojulios de energía.
Calculando la variación de energía interna
Para calcular la variación de energía interna que experimenta un sistema, en este caso, un mol de agua, aplicamos el primer principio de la termodinámica. Esta ley nos dice que la variación de la energía interna (ΔU) es igual al calor suministrado al sistema (Q), más el trabajo realizado por el sistema (W).
Despreciando el volumen en el calor a volumen constante
En situaciones donde no hay cambio de estado y la variación de volumen es despreciable, como en el calentamiento de un mol de agua de 40°C a 80°C a presión constante, podemos simplificar la ecuación considerando que ΔU = Q. Esto es lo que se conoce como calor a volumen constante.
Aplicación de la fórmula para la variación de energía interna
Para obtener la variación de energía interna, utilizamos la fórmula Q = m·c·ΔT, donde m representa la masa de la sustancia, c es la calor específica y ΔT es la variación de temperatura.
Conversión de unidades y cálculo de masa
Dado que la masa del agua proporcionada está en moles, necesitamos convertirla a kilogramos para usarla en la fórmula. Un mol de agua (H2O) tiene una masa de 18 gramos, lo que equivale a 0,018 kg al convertir los gramos a kilogramos dividiendo entre 1000.
Realizando el cálculo de la variación de temperatura
La variación de temperatura (ΔT) es la diferencia entre la temperatura final e inicial, en este caso, 80°C – 40°C, lo que resulta en un incremento de 40°C o 40 K, ya que para variaciones de temperatura, grados Celsius y Kelvin son equivalentes.
Resultado del ejercicio de termoquímica
Al aplicar la fórmula con los datos proporcionados, obtenemos que la variación de energía interna del sistema es de 3009 kJ. Este valor es positivo, lo que indica que es energía que el sistema ha absorbido, y es consistente con el criterio de signos establecido en termoquímica.
Al comprender estos principios y realizar los cálculos adecuados, podemos tener una mejor visión de cómo las sustancias intercambian energía en forma de calor y cómo esto afecta su estado y propiedades. La termoquímica, por tanto, es esencial para el estudio y aplicación en diversas áreas de la ciencia y la ingeniería.