Energía Interna, Calor y Cambios de Estado: Conceptos Clave

Energía Interna y Movimiento de la Energía

La energía interna de un cuerpo es la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo componen. Esta energía depende de varios factores:

• Cantidad de materia: A mayor número de partículas, mayor energía interna.
• Tipo de sustancia: Las fuerzas interparticulares determinan la energía potencial.
• Temperatura: A mayor velocidad de las partículas (y por ende, mayor energía cinética), mayor temperatura.

Consideraciones adicionales sobre la energía:

• La energía cinética es máxima en los gases y mínima en los sólidos.
• La energía potencial es máxima en los sólidos y casi inexistente en los gases.

El Calor: Energía en Tránsito

El calor (o energía térmica) es la energía transferida entre dos cuerpos a diferente temperatura o durante un cambio de estado. Se mide en Julios (J) en el Sistema Internacional (SI), aunque también se usa la caloría (cal). Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua en 1ºC. La equivalencia es: 1 cal = 4.18 J.

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas entran en contacto, el cuerpo más caliente cede calor al más frío. Este proceso continúa hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico, es decir, la misma temperatura. La relación se puede expresar como:

Q cedido = Q ganado

Matemáticamente:

M1·Ce1·(T1-T) = M2·Ce2·(T-T2)

Donde:

• M1 y M2 son las masas de los cuerpos.
• Ce1 y Ce2 son los calores específicos de los cuerpos.
• T1 y T2 son las temperaturas iniciales de los cuerpos.
• T es la temperatura de equilibrio.

Cambios de Temperatura y Calor Específico

El calor específico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1g de dicha sustancia en 1K (o 1ºC). En el SI, se mide en J/(Kg·K). La relación entre el calor (Q) y el cambio de temperatura (ΔT) es:

Q = m·Ce·ΔT

Donde:

• Q es el calor.
• m es la masa.
• Ce es el calor específico.
• ΔT es la variación de temperatura (T2 - T1).

Medición del Calor Específico: El Calorímetro

El calorímetro es un recipiente aislado térmicamente que se utiliza para medir el calor específico de las sustancias. El equivalente en agua de un calorímetro es la masa de agua que absorbería la misma cantidad de calor que el calorímetro.

Cambios de Estado

Los cambios de estado ocurren a temperaturas específicas:

• Punto de ebullición (o vaporización): Temperatura a la que un líquido se transforma en gas. Coincide con el punto de condensación. Para el agua, a presión atmosférica normal, es de 100ºC.
• Punto de fusión: Temperatura a la que un sólido se transforma en líquido. Coincide con el punto de solidificación. Para el agua, a presión atmosférica normal, es de 0ºC.

El calor latente (L) de un cambio de estado es la cantidad de calor necesaria para que 1 kg de una sustancia cambie de estado a la temperatura de ese cambio. Se mide en J/Kg en el SI. Se distingue entre:

• Calor latente de fusión (Lf): Para el cambio de sólido a líquido.
• Calor latente de vaporización (Lv): Para el cambio de líquido a gas.

Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante. El calor se calcula como:

Para la fusión: Q = m·Lf

Para la vaporización: Q = m·Lv

SÓLIDO                LÍQUIDO                   GASEOSO