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miércoles, 25 de junio de 2025

Teorema. Temperatura de equilibrio en un calorímetro de taza de café


[Demostración] El cálculo de la temperatura de equilibrio en un calorímetro de cuerpo inerte representa el caso más complejo. Su demostración, la más extensa y enrevesada, implicó descomponer una razón de diferencias de temperaturas para despejar la temperatura de equilibrio. Este proceso requirió pasos con factores comunes propensos a errores, dificultando la claridad. Procedimentalmente, exige repetir un cálculo complejo de cuatro términos (dos masas y dos calores específicos) dos veces seguidas.

Para simplificarlo, acuñamos el concepto de razón de calores específicos, calculado previamente y por separado. Esto acorta el procedimiento de los cuatro términos. En este caso particular, no presentamos un factor de conversión homólogo. La razón es que, al involucrar sumas y restas, el seguimiento dimensional de las identidades se vuelve difícil o poco práctico. Esto demuestra una vez más la debilidad del método de factor de conversión en teoremas que implican funciones de suma y resta, comunes en las leyes de conservación de masa, energía o carga.

Teorema. Masa de una sustancia inerte en un calorímetro de taza de café

[Demostración] Para determinar la masa de un cuerpo incógnita (i), que comúnmente es un metal, se recurre a su interacción con un solvente de calor específico conocido (j), típicamente agua, dentro de un calorímetro. Este cálculo se realiza utilizando tanto factores de conversión como teoremas algebraicos, que permiten despejar la masa deseada. La relación se establece mediante ratios inversos del calor específico y de las diferencias de temperatura entre las dos sustancias. Esto significa que los parámetros correspondientes a la sustancia j (el solvente) se sitúan en el numerador, mientras que los de la sustancia i (la incógnita) ocupan el denominador, facilitando así el proceso de cálculo.

Esta dualidad en la presentación del teorema – a través de ratios inversos en su forma algebraica y mediante factores de conversión – proporciona una flexibilidad invaluable en la resolución de problemas de calorimetría. Permite abordar el cálculo de la masa del cuerpo i de manera eficiente, asegurando la precisión en la caracterización de sus propiedades físicas a partir de los datos experimentales obtenidos de la sustancia j. La comprensión de estas relaciones inversas es fundamental para dominar la cuantificación de la transferencia de energía en sistemas termodinámicos.

martes, 24 de junio de 2025

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Chang 10ed. Ejercicio 6.34

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Calcula la cantidad de calor liberado (en kJ) por 366 g de mercurio cuando se enfría desde 77,0°C hasta 12,0°C.

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

 https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor-en-funcion-del-calor.html

Buscamos el calor específico del mercurio en la tabla

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/termoquimica.tabla-calor.especifico.html

siendo de 0.1395 J/g-K

Etapa numérica por teoremas.

Convertimos a kilogramos de forma implícita para poder respetar las cifras significativas.

Etapa numérica por factor de conversión.

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill Education..

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Chang 10ed. Ejercicio 6.33

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Una pieza de cobre de 6,22 kg se calienta desde 20,5°C hasta 324,3°C. Calcula el calor absorbido (en kJ) por el metal.

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

 https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor-en-funcion-del-calor.html

Buscamos el calor específico del cobre en la tabla

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/termoquimica.tabla-calor.especifico.html

siendo de 0.385 J/g-K

Etapa numérica por teoremas.

Etapa numérica por factor de conversión.

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill Education.

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Chang 10ed. Ejercicio 6.32

[Regresar a más ejercicios de calor específico y capacidad calorífica]

Una pieza de plata con una masa de 362 g tiene una capacidad calorífica de 85,7 J/°C. ¿Cuál es el calor específico de la plata?

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor.especifico.molar.html

Etapa numérica por teoremas.

Etapa numérica por factor de conversión.

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill Education..

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Chang 10ed. Práctica 6.5

[Regresar a más ejercicios de calor específico y capacidad calorífica]

Una barra de hierro con una masa de 869 g se enfría desde 94°C hasta 5°C. Calcula el calor liberado (en kilojulios) por el metal.

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor-en-funcion-del-calor.html

Usaremos el calor específico del hierro dado en la siguiente tabla

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/termoquimica.tabla-calor.especifico.html

Etapa numérica por teoremas.

Convertimos la masa a kilogramos, eso nos dará kilojulios por ley conmutativa del producto.

Etapa numérica por factor de conversión.

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill Education.

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Chang 10ed. Ejemplo 6.5

[Regresar a más ejercicios de calor específico y capacidad calorífica]

Una muestra de 466 g de agua se calienta desde 8,50°C hasta 74,60°C. Calcula la cantidad de calor absorbido (en kilojulios) por el agua.

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor-en-funcion-del-calor.html

Usaremos el calor específico del agua a 25 °C dado en la siguiente tabla

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/termoquimica.tabla-calor.especifico.html

Etapa numérica por teoremas.

Etapa numérica por factor de conversión.

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill Education.

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Brown 15ed. 5.24

[Regresar a más ejercicios de calor específico y capacidad calorífica]

El calor específico del octano, C₈H₁₈(l), es 2.22 J/g·K. (a) ¿Cuántos julios de calor se necesitan para aumentar la temperatura de 80.0 g de octano de 10.0 a 25.0 °C? (b) ¿Cuál requerirá más calor: aumentar la temperatura de 1 mol de C₈H₁₈(l) una cierta cantidad o aumentar la temperatura de 1 mol de H₂O(l) en la misma cantidad?

Etapa analítica

 Para el literal (a) usaremos esta fórmula:

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/06/teorema-calor-en-funcion-del-calor.html

Para el literal (b) modificamos el anterior usando este axioma.

https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2025/05/teorema-axioma.de.la.masa.molar.html

Y combinándolos en.

Si leemos con atención, la cantidad de sustancia y el cambio de temperatura es la misma, por ende las podemos tomar como constantes, por ende, todo dependerá de la masa molar y el calor específico.

Etapa numérica masas molares

Calculamos la masa molar de ambas sustancias. Recuerda que u = g/mol

Etapa numérica por teoremas.

(a) ¿Cuántos julios de calor se necesitan para aumentar la temperatura de 80.0 g de octano de 10.0 a 25.0 °C?

(b) ¿Cuál requerirá más calor: aumentar la temperatura de 1 mol de C₈H₁₈(l) una cierta cantidad o aumentar la temperatura de 1 mol de H₂O(l) en la misma cantidad?

El octano requiere mas calor porque tiene mayor masa total al estar ponderado a 1 mol de cantidad de sustancia.

Etapa numérica por factor de conversión.

(a) ¿Cuántos julios de calor se necesitan para aumentar la temperatura de 80.0 g de octano de 10.0 a 25.0 °C?

(b) ¿Cuál requerirá más calor: aumentar la temperatura de 1 mol de C₈H₁₈(l) una cierta cantidad o aumentar la temperatura de 1 mol de H₂O(l) en la misma cantidad?

El octano requiere más calor porque tiene mayor masa total al estar ponderado a 1 mol de cantidad de sustancia.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.