La capacidad calorífica molar es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 mol de una sustancia en 1 unidad & se calcula dividiendo la capacidad calorífica entre el número total de moles.
¿Te has preguntado alguna vez por qué no nos quemamos al usar una sartén?
Obviamente, es el mango el que nos protege, pero ¿por qué no se calienta tanto como la propia sartén? Después de todo, está expuesto a la misma cantidad de calor.
Bueno, para empezar, el mango de una sartén suele ser de plástico, lo que significa que es un mal conductor del calor. Además, dada la misma cantidad de exposición al calor, el aumento de la temperatura del mango de plástico es mucho menor que el de la parte metálica. Esto se atribuye a la alta capacidad calorífica del mango, en comparación con el metal del que está hecha la sartén.
La capacidad calorífica se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de una masa determinada de una sustancia en una unidad. La capacidad calorífica específica y la capacidad calorífica molar son propiedades derivadas de la capacidad calorífica de un material.
Debido a la alta capacidad calorífica del mango, éste no se calienta tanto como la propia sartén (Photo Credit : Kzenon/).
Calor específico & Calor específico molar
La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad y el tamaño de la sustancia. En física, se suele utilizar una forma modificada de la capacidad calorífica (llamada capacidad calorífica específica o simplemente calor específico). El calor específico no varía con la cantidad de la sustancia y, por tanto, es una propiedad más útil.
El calor específico se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia en 1 unidad de temperatura. Matemáticamente, es la capacidad calorífica de una sustancia dividida por su masa. La fórmula del calor específico es:
Aquí, c es el calor específico y tiene unidades J/kg.K, C es la capacidad calorífica de una sustancia en J/K, y m es la masa de la sustancia en kilogramos. Otra fórmula muy importante utilizada para expresar el calor específico es:
Aquí, c representa de nuevo el calor específico, ΔQ es la diferencia de energía calorífica en julios, m es la masa de la sustancia y ΔT es la diferencia de temperatura en Kelvin.
En química -donde la cantidad de una sustancia se suele medir en moles, no en gramos- modificar la definición y la fórmula de la capacidad calorífica para incluir los moles facilita mucho las cosas.
La capacidad calorífica molar se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 mol de una sustancia en 1 Kelvin . Al igual que el calor específico, la capacidad calorífica molar es una propiedad intensiva, es decir, no varía con la cantidad de sustancia.
Matemáticamente, es la capacidad calorífica de una sustancia dividida por el número de moles y se expresa como:
Aquí, cm es la capacidad calorífica molar (J/K.mol), C es la capacidad calorífica (J/K), y n es el número de moles (mol).
El calor específico y la capacidad calorífica molar pueden no variar con la cantidad o el tamaño de la sustancia, pero sus valores fluctúan en función del método de determinación.
Cuando se suministra energía calorífica a una sustancia, en particular a los gases, el aumento de la temperatura va acompañado de un incremento del volumen o de la presión, y a veces de ambos. Estos fenómenos se explican por la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac.
CP,m & CV,m se utilizan a menudo para representar las capacidades caloríficas molares medidas a presión constante (isobárica) y a volumen constante (isocórica), respectivamente.
El valor del calor específico molar a presión constante es siempre mayor que el medido a volumen constante. Esto se debe a que el calor suministrado a presión constante se utiliza para producir trabajo y también para expandir el volumen, mientras que el calor suministrado a volumen constante se utiliza en su totalidad para aumentar la temperatura de la sustancia.
La relación entre CP y CV se denomina relación de capacidad calorífica o índice adiabático (γ = CP/CV), y es un término importante cuando se trabaja con procesos reversibles en termodinámica. Por otro lado, la diferencia entre CP,m & CV, m es igual a la constante universal de los gases R. La expresión CP,m – CV, m = R se llama relación de Mayer.
¿Cómo calcular la capacidad calorífica molar de una sustancia?
Encontrar la capacidad calorífica de una sustancia, y posteriormente, su calor específico y su capacidad calorífica molar, no es precisamente ciencia espacial. Los valores se pueden calcular simplemente desglosando sus definiciones, encontrando las cantidades individuales (cantidad de calor suministrado o eliminado, temperatura inicial, temperatura final, la masa y el número de moles de la sustancia) y sustituyendo estos valores en sus respectivos lugares en las fórmulas.
Paso 1: Encontrar la capacidad calorífica
Como ya se ha definido, la capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cantidad conocida de la sustancia en una unidad. La definición se expresa como:
Aquí, C es la capacidad calorífica, Q representa la energía térmica y ΔT es la diferencia de temperatura. ΔQ también puede sustituir a Q.
ΔT es T1-T2, donde T1 es la temperatura inicial y T2 es la temperatura final de la sustancia. Comienza anotando la temperatura inicial/de partida T1 con un termómetro. Además, pesa la muestra (m) y anota el valor en kg para su uso posterior.
A continuación, suministra una cantidad conocida de energía térmica (Q) al sistema. La cantidad de energía térmica puede anotarse en julios o en calorías. Una vez que hayas terminado de suministrar calor, espera a que la temperatura se estabilice y anota la temperatura final como T2.
Convierte el valor de la temperatura a Kelvin añadiendo el número 273,15 al valor Celsius (0°c = 273,15 K). Si el valor de la energía térmica suministrada está disponible en calorías, conviértelo en julios. Multiplica la cantidad de energía térmica en calorías por 4,184 para obtener la cantidad en julios (1 cal = 4,184 julios).
Por último, sustituye los valores de Q, T1 y T2 en la fórmula de la capacidad térmica. Coge una calculadora o utiliza tu cerebro para realizar los cálculos y obtener la capacidad calorífica de la muestra. Las unidades de la capacidad calorífica son J/K.
Paso 2: Hallar la capacidad calorífica específica o el calor específico
La capacidad calorífica específica o el calor específico se pueden hallar fácilmente dividiendo la capacidad calorífica de la muestra entre su masa (c = C/m). Sigue adelante y divide el valor de C encontrado en el paso anterior por el valor de m, también anotado en el paso anterior, para obtener el calor específico de la muestra. La cantidad resultante tendrá las unidades J/kg.K
Paso 3: Determinar la capacidad calorífica molar
Si vuelves a desplazarte hacia arriba y echas un vistazo a la fórmula de la capacidad calorífica molar (cm= C/n), encontrarás el término ‘n’, que representa el número de moles de la muestra. Para encontrar el número de moles, divide la cantidad de la muestra entre su masa molar.
Ahora que has encontrado n, sustituye el valor de la capacidad calorífica (C) y el número de moles (n) en la fórmula y calcula la capacidad calorífica molar.
Otro método para determinar la capacidad calorífica molar es multiplicar el calor específico (c) de la muestra por su masa molar (M). Al hacer esto, asegúrate de convertir la masa molar a kg/mol.
Método alternativo – Usando un calorímetro
Otro método para determinar el calor específico de una sustancia es usando un calorímetro. Un calorímetro es un aparato científico compuesto por las siguientes partes: un recipiente interior y otro exterior, agitador, termómetro, material aislante, etc. El recipiente interior o vaso contiene la muestra de material cuyo calor específico se quiere determinar. Se coloca en el centro del recipiente exterior, que está lleno de agua. El procedimiento comienza anotando la masa y las temperaturas iniciales tanto del agua como de la sustancia de la muestra.
El calorímetro se utiliza para medir el flujo de calor en una reacción; esta técnica se llama calorimetría. (Crédito de la foto: Fouad A. Saad/)
La muestra se calienta mediante cables de encendido. A medida que la temperatura de la muestra se eleva por encima de la temperatura del agua exterior, comienza la transferencia de calor entre ambas. Después de cierto tiempo, se apaga el flujo eléctrico y se miden las temperaturas finales del agua y de la muestra. La energía térmica perdida por el material de la muestra será igual al calor ganado por el agua en el recipiente exterior. Ahora hacemos uso de la fórmula ΔQ = mcΔT.
Para la muestra, ΔQs= (mcΔT)s, y para el agua, ΔQw=(mcΔT)w.
Pero ΔQs = ΔQw. Por tanto, (mcΔT)s = (mcΔT)w.
Sustituye los valores de la masa de la muestra y del agua (ms y mw, respectivamente), el cambio de temperatura (ΔTs = T1s-T2s y ΔTw = T1w-T2w) y el calor específico del agua (cw) como 4,1796 kJ/kg.K para determinar el calor específico de la muestra (cs). Una vez hallado el calor específico de la sustancia, al multiplicarlo por su masa molar obtendremos la capacidad calorífica molar de la misma.
Aplicaciones de la capacidad calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia determina dónde y cuándo puede ser empleada. Por ejemplo, los mangos y empuñaduras de los utensilios se fabrican con materiales de alta capacidad calorífica para la seguridad de los usuarios. Los termómetros, en cambio, se fabrican con materiales de baja capacidad calorífica específica para que puedan detectar incluso las más pequeñas fluctuaciones de temperatura.
Otro ejemplo de esto es el uso del agua en los sistemas de refrigeración de los motores. El agua tiene la mayor capacidad calorífica específica entre todos los líquidos. Para la misma cantidad de calor, el aumento de la temperatura del agua es muy pequeño, lo que la convierte en una opción ideal para un líquido/agente de refrigeración.
El fenómeno de que el agua del océano se mantenga más fría que el aire y la arena circundantes en un caluroso día de verano, a pesar de estar expuesta a la misma cantidad de calor del sol, también puede explicarse utilizando el concepto de capacidad térmica. La alta capacidad térmica del agua es responsable de muchos fenómenos naturales, como el clima de la Tierra y la supervivencia de la vida acuática.