Les vencimos

Física y Química · 1º Bachillerato

Lección 23 · Bloque F · Termodinámica

Veinte kelvin no son doscientos noventa y tres

1º Bachillerato Física y Química · Ciencias · Decreto 40/2022 CyL

Objetivos

Letras

Mezcla de agua líquidaTemperaturasFinalPor qué
0,20 kg y 0,20 kg90 °C y 10 °C50 °CMasas iguales: media
0,50 kg y 0,50 kg80 °C y 20 °C50 °COtra media, mismos intervalos
0,30 kg y 0,10 kg80 °C y 20 °C65 °CPesa más la caliente
0,40 kg y 0,10 kg60 °C y 20 °C52 °CSegundo ejemplo

c = 4180 J/(kg·K) se cancela si las dos porciones son agua líquida. No lo uses para hielo ni para vapor. ΔT es un intervalo: 20 °C de subida son 20 K. No sumes 273 dentro de ΔT.

Dos vasos de agua que se mezclan a 50 grados 0,20 kg · 90 °C 0,20 kg · 10 °C 0,40 kg · 50 °C

Ejemplo

  1. Calientas m = 0,250 kg de agua líquida. c = 4180 J/(kg·K). ΔT = 20 K (lo mismo que subir 20 °C).
  2. Q = 0,250·4180·20. Primero 0,250·4180 = 1045. Luego 1045·20 = 20900 J.
  3. Mezcla, sin pérdidas: 0,20 kg a 90 °C con 0,20 kg a 10 °C, la misma c.
  4. El calor que suelta una es el que toma la otra: m·c·(90 − T) = m·c·(T − 10). m y c se cancelan. 90 − T = T − 10. 100 = 2T. T = 50 °C.
  5. Comprueba: la caliente baja 40 °C y la fría sube 40 °C. Masas iguales, intervalos iguales. La mezcla son 0,40 kg a 50 °C.

Segundo ejemplo resuelto

El primero mezclaba masas iguales y calentaba 0,250 kg en 20 K. Aquí las masas no son iguales, y el calor que cruza se calcula con el mismo c del agua líquida.

0,40 kg a 60 grados y 0,10 kg a 20 grados acaban a 52 grados 0,40 kg · 60 °C 0,10 kg · 20 °C 0,50 kg · 52 °C 0,40·(60 − 52) = 3,2 y 0,10·(52 − 20) = 3,2. La c se cancela. |Q| = 0,10·4180·32 = 13376 J.
  1. Sin pérdidas, agua líquida con agua líquida: 0,40 kg a 60 °C y 0,10 kg a 20 °C. c = 4180 J/(kg·K) en las dos, así que se cancela al buscar la temperatura final. No es la mezcla de 0,30 kg y 0,10 kg del ejercicio 5, que acababa a 65 °C.
  2. 0,40·(60 − T) = 0,10·(T − 20). Multiplica los dos lados por 10: 4·(60 − T) = T − 20. 240 − 4T = T − 20. 240 + 20 = 5T. 260 = 5T. T = 52 °C.
  3. La final queda entre 20 °C y 60 °C, más cerca de 60 porque hay más masa caliente. La media sin masas, (60 + 20)/2 = 40 °C, es falsa aquí. 52 no es 40.
  4. La fría sube ΔT = 52 − 20 = 32 K. No sumes 273: el intervalo ya está en kelvin. Q = 0,10·4180·32. 4180·30 = 125400 y 4180·2 = 8360, suma 133760. Por 0,10 son 13376 J. La fría gana 13376 J.
  5. La caliente baja 60 − 52 = 8 K. Q = −0,40·4180·8. 4180·8 = 33440 y 0,40·33440 = 13376, así que Q = −13376 J. El valor absoluto coincide con el de la fría. 0,40·8 = 3,2 y 0,10·32 = 3,2: los productos m·ΔT son iguales, por eso los calores también, con signo contrario. La masa total es 0,50 kg a 52 °C.

El error de meter 273 en el primer ejemplo: ΔT falso = 20 + 273 = 293. Q = 0,250·4180·293. 0,250·4180 = 1045 y 1045·293 = 306185 J. No es el calor de subir 20 grados. El bueno sigue siendo 20900 J.

La media con masas, si c es la misma

Cuando las dos porciones son agua líquida, la temperatura final también se puede escribir T = (m₁·T₁ + m₂·T₂) / (m₁ + m₂). m₁ y m₂ son las dos masas, en kg; T₁ y T₂, sus temperaturas en la misma escala. Es la ecuación del balance, reordenada: c se ha cancelado. No vale si una porción no es agua líquida, porque entonces las c no son iguales y no se van.

No sumes 273 a una sola temperatura. Si lo sumas a las dos, la media sube 273 y al restarlo vuelves al mismo grado Celsius: en la primera mezcla, 0,20·(90+273) + 0,20·(10+273) = 0,20·363 + 0,20·283 = 72,6 + 56,6 = 129,2. Partido de 0,40 da 323, y 323 − 273 = 50 °C. Si sumas 273 solo al final, 50 + 273 = 323, y ese 323 no es un ΔT. Q sigue usando el intervalo, no 323.

El producto m·ΔT manda el calor. El primer ejemplo tiene 0,250·20 = 5,0 kg·K y Q = 20900 J. La mezcla ya unida del segundo ejemplo son 0,50 kg a 52 °C. Subirla otros 10 K, todavía agua líquida, pide Q = 0,50·4180·10. 0,50·4180 = 2090 y 2090·10 = 20900 J. Otra vez 20900 J, porque 0,50·10 = 5,0 kg·K, el mismo producto. No es la misma agua. Enfriarla esos 10 K sería Q = −20900 J, el signo del ejercicio 3 con otras cifras y el mismo producto.

El interactivo da la masa en gramos. 250 g = 0,250 kg. Si dejas 250·4180·20 sin pasar a kilos, salen 20900000 J, mil veces el calor bueno: falta dividir entre 1000. 250·4180·20 / 1000 = 20900 J. En un extremo del deslizador, 100 g y 5 K: m = 0,100 kg y Q = 0,100·4180·5 = 2090 J. En el otro, 500 g y 40 K: m = 0,500 kg y Q = 0,500·4180·40. 0,500·4180 = 2090 y 2090·40 = 83600 J. Es el calor de 1 kg que sube 20 K, porque 0,500·40 = 20 y 1·20 = 20: el mismo producto m·ΔT, en kg·K.

Ejercicios

1. El ejemplo, escrito

Repite Q para 0,250 kg y ΔT = 20 K con c = 4180.

Porqué

0,250·4180 = 1045 y 1045·20 = 20900 J. Si olvidas el 0,250 y haces 4180·20, sale el calor de 1 kg: 83600 J, cuatro veces más, porque 1/0,250 = 4. Si además sumas 273 al intervalo, 1045·293 = 306185 J, que no es este calentamiento.

2. Intervalo

El agua pasa de 20 °C a 40 °C. ¿ΔT en kelvin?

Porqué

ΔT = 40 − 20 = 20 K. No es 293 ni 313: 20 + 273 = 293 y 40 + 273 = 313 serían las temperaturas absolutas de cada extremo, y su diferencia vuelve a ser 20. Q usa el incremento, 20, no 293. Por eso en el ejemplo 0,250·4180·20 = 20900 J y no 0,250·4180·293.

3. Enfriar

0,250 kg de agua bajan 20 K. ¿Q para el agua, con signo?

Porqué

Q = 0,250·4180·(−20) = −20900 J. El valor absoluto es el del ejemplo; el signo dice que la energía sale del agua. En la mezcla del segundo ejemplo el signo se reparte: la fría gana 13376 J y la caliente pierde 13376 J.

4. Masas iguales

0,50 kg a 80 °C con 0,50 kg a 20 °C, sin pérdidas, misma c. Temperatura final.

Porqué

50 °C. (80 + 20)/2 = 50. Comprueba con los productos m·ΔT: 0,50·(80 − 50) = 15 y 0,50·(50 − 20) = 15. Coinciden, y c no hace falta. No es la mezcla 0,40 kg y 0,10 kg, que no da la media y acaba a 52 °C.

5. Masas distintas

0,30 kg a 80 °C y 0,10 kg a 20 °C. Sin pérdidas. Plantea la ecuación y halla T. c es la misma y se cancela.

Porqué

0,30·(80 − T) = 0,10·(T − 20). 24 − 0,30T = 0,10T − 2. 26 = 0,40T. T = 65 °C. Pesa más el agua caliente, y la final queda más cerca de 80 que de 20.

En la vida real

El vaso, no el motor de Carnot

Agua líquida, c = 4180 J/(kg·K). Elige masa y ΔT. Escribe Q en julios.

Reto Profesor

Tu mezcla, sin pérdidas inventadas

Elige dos masas de agua líquida y dos temperaturas. En el editor, la ecuación y la T final. En el lienzo, los dos vasos y el vaso mezcla. Si supones que no se pierde calor, dilo. No calcules entropía.

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