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lunes, 23 de junio de 2025

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Capacidad calorífica y calor específico. Brown 15ed. Muestra 5.5

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(a) ¿Cuánto calor se necesita para calentar 250 g de agua (aproximadamente 1 taza) desde 22 °C (aproximadamente temperatura ambiente) hasta 98 °C (cerca de su punto de ebullición)? (b) ¿Cuál es la capacidad calorífica molar del agua?

Etapa analítica

Para el literal (a) usaremos el teorema de Calor en función del calor específico. Para el literal (b) usaremos el teorema Capacidad calorífica molar como una función de la capacidad calorífica del agua. Ambos teoremas requieren la capacidad calorífica del agua que podemos buscar en la tabla de calores específicos, siendo el valor de 4.1817 J/g-K a 25°C, aunque en este caso la tabla nos muestra un rango, usaremos ese valor de referencia. Nota: la diferencia de temperaturas en kelvin y °C es la misma, por ende podemos restar °C y convertir a K de plumazo.

Etapa numérica por teoremas.

(a) ¿Cuánto calor se necesita para calentar 250 g de agua (aproximadamente 1 taza) desde 22 °C (aproximadamente temperatura ambiente) hasta 98 °C (cerca de su punto de ebullición)?

(b) ¿Cuál es la capacidad calorífica molar del agua? Asumimos la masa molar del agua como 18.02 g/mol.

Etapa numérica por factor de conversión.

(a) ¿Cuánto calor se necesita para calentar 250 g de agua (aproximadamente 1 taza) desde 22 °C (aproximadamente temperatura ambiente) hasta 98 °C (cerca de su punto de ebullición)?

(b) ¿Cuál es la capacidad calorífica molar del agua? Asumimos la masa molar del agua como 18.02 g/mol.

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

 .

Tabla. Calor específico




Esta tabla presenta valores clave de calor específico y capacidad calorífica molar para diversas sustancias en diferentes fases. El calor específico isobárico () indica cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un Kelvin a presión constante, mientras que la capacidad calorífica molar () hace lo mismo, pero para un mol de sustancia. La variedad de valores resalta cómo cada material reacciona de manera diferente a la absorción de calor, desde gases ligeros como el hidrógeno hasta metales densos como el oro.

Es crucial notar la presencia de rangos de temperatura específicos para algunas sustancias, como el agua y el litio. Esto subraya que el calor específico no es una constante absoluta para cada material, sino que puede variar significativamente con la temperatura y la fase. Por ejemplo, el agua tiene valores distintos como líquido a 25°C y 100°C, y como vapor o hielo a temperaturas específicas, lo que es fundamental para cálculos precisos en diferentes condiciones.

Sustancia

Fase

Capacidad calorífica Cs (J/g·K)

Aire (nivel del mar, seco, 0°C)

Gas

1.0035

Aire (condiciones normales)

Gas

1.012

Aluminio

Sólido

0.897

Amoníaco

Líquido

4.7

Tejido animal (incl. humano)

Mezcla

3.5

Antimonio

Sólido

0.207

Argón

Gas

0.5203

Arsénico

Sólido

0.328

Berilio

Sólido

1.82

Bismuto

Sólido

0.123

Cadmio

Sólido

0.231

Dióxido de carbono (CO₂)

Gas

0.839

Cromo

Sólido

0.449

Cobre

Sólido

0.385

Diamante

Sólido

0.509

Etanol

Líquido

2.44

Gasolina (octano)

Líquido

2.22

Vidrio

Sólido

0.84

Oro

Sólido

0.129

Granito

Sólido

0.79

Grafito

Sólido

0.71

Helio

Gas

5.193

Hidrógeno

Gas

14.3

Sulfuro de hidrógeno (H₂S)

Gas

1.015

Hierro

Sólido

0.449

Plomo

Sólido

0.129

Litio

Sólido

3.58

Litio a 181°C

¿Sólido?

4.233

Litio a 181°C

Líquido

4.379

Magnesio

Sólido

1.02

Mercurio

Líquido

0.1395

Metano a 2°C

Gas

2.191

Metanol

Líquido

2.14

Sal fundida (142–540°C)

Líquido

1.56

Neón

Gas

1.03

Nitrógeno

Gas

1.04

Oxígeno

Gas

0.918

Cera de parafina (C₂₅H₅₂)

Sólido

2.5

Polietileno (grado rotomoldeo)

Sólido

2.302

Sílice (fundida)

Sólido

0.703

Plata

Sólido

0.233

Sodio

Sólido

1.23

Acero

Sólido

0.466

Estaño

Sólido

0.227

Titanio

Sólido

0.523

Tungsteno

Sólido

0.134

Uranio

Sólido

0.116

Agua a -10°C (hielo)

Sólido

2.05

Agua a 25°C

Líquido

4.181

Agua a 100°C

Líquido

4.216

Agua a 100°C (vapor)

Gas

2.03

Zinc

Sólido

0.387