El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios
físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se
contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una
importante excepción a esta regla (Figura1). Se denomina fase de una sustancia
a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en
sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas.
El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; Existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 Kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 Kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios. La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula
Q=m·c·(Tf-Ti)
Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura
inicial y Tf la temperatura final
Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0
Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0
Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que
proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado
centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg K).
Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces
más calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las distintas
longitudes de las partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las
líneas inclinadas representan el número de grados de aumento de temperatura por
cada julio de calor suministrado a un gramo de agua. El 'calor específico' del
agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5
julios de energía para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de
agua.
Calor específico
Cantidad
de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una
sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor
específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se
expresa en calorías por gramo y grado centígrado (figura3). El calor específico
del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que
suministrar una caloría a un
gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.
De
acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y
Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de
su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente
constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta
más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la
energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor
específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen
constante.
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