La olla tarda
Qué notás
Calentar una olla con agua lleva varios minutos; la misma olla vacía se pone al rojo mucho antes.
Qué necesitás traer
De la clase anterior, una sola idea: las moléculas de agua están enganchadas entre sí por puentes de hidrógeno. Hoy vamos a ver cuánta energía hace falta para vencerlos, y qué consecuencias tiene eso desde una olla hasta el clima de una ciudad.
Desarrollo
Leer la explicación
Qué vemos
Tres observaciones que probablemente ya hiciste sin pensarlas.
Transpirar enfría
Qué notás
Cuando el sudor se evapora, sentís frío. Y si hay viento, más todavía.
La costa no tiene extremos
Qué notás
En una ciudad junto al mar no hace ni tanto calor en verano ni tanto frío en invierno como tierra adentro.
Las tres son la misma propiedad mirada a tres escalas: el agua es un moderador térmico. Absorbe y entrega mucha energía sin cambiar demasiado su temperatura.
Capacidad calorífica: cuánto cuesta calentarla
La capacidad calorífica específica es la energía que hay que darle a un kilogramo de una sustancia para que suba un grado. La del agua es una de las más altas que se conocen.
| Sustancia | Capacidad calorífica | Comparada con el agua |
|---|---|---|
| Agua líquida | $4180$ | — |
| Arena | unos $800$ | 5 veces menos |
| Aluminio | $900$ | 4,6 veces menos |
| Hierro | $450$ | 9 veces menos |
Hay que leer la primera fila con cuidado: para subir un grado un kilo de agua hay que darle $4180$ joules; para subir un grado un kilo de hierro, $450$. Casi diez veces menos.
Pista: por eso en la playa la arena quema y el agua está fresca, aunque les llegue el mismo sol. La arena necesita poca energía para calentarse mucho.
Por qué cuesta tanto
Darle calor a un líquido significa hacer que sus moléculas se muevan más rápido. En el agua, parte de esa energía no va a acelerar moléculas: se gasta en vencer los puentes de hidrógeno que las tienen enganchadas.
En el hierro no hay nada parecido que vencer, así que casi toda la energía se convierte en movimiento y la temperatura sube enseguida.
Calor latente: cuánto cuesta cambiarla de estado
Hay un momento en que le das calor al agua y la temperatura no sube: mientras hierve. Toda esa energía se usa en separar las moléculas unas de otras, no en acelerarlas.
Esa energía se llama calor latente, y en el agua también es enorme.
| Cambio de estado | A qué temperatura | Energía por kilogramo |
|---|---|---|
| Fusión (hielo a agua) | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $334\,000$ |
| Vaporización (agua a vapor) | $100\ \mathrm{^\circ C}$ | $2\,260\,000$ |
Comparalo con lo anterior: calentar un kilo de agua de $0$ a $100\ \mathrm{^\circ C}$ cuesta unos $418\,000$ joules. Evaporar ese mismo kilo, una vez que llegó a $100$, cuesta más de cinco veces eso.
$$Q = m \cdot L$$
donde $Q$ es la energía, $m$ la masa y $L$ el calor latente del cambio de estado que estés mirando.
Por qué transpirar enfría
Ahora se entiende la segunda tarjeta del principio. Para evaporarse, cada gota de sudor necesita muchísima energía, y la saca de lo que tiene más cerca: tu piel. Tu piel entrega esa energía y, al entregarla, se enfría.
Pensá antes de abrir: ¿por qué un día húmedo se siente más agobiante que uno seco a la misma temperatura?
Ver una respuesta para comparar con la tuya
Porque si el aire ya está cargado de vapor de agua, al sudor le cuesta mucho más evaporarse: el aire casi no puede recibir más vapor. Y si el sudor no se evapora, no te saca energía, así que el mecanismo con el que tu cuerpo se enfría deja de funcionar.
No es que haga más calor: es que no te podés enfriar. Por eso el pronóstico informa la sensación térmica además de la temperatura.
La misma propiedad, a escala de planeta
El océano tiene una masa enorme de agua, y el agua tiene la capacidad calorífica que viste. Las dos cosas juntas lo convierten en un amortiguador del clima.
- De día y en verano absorbe muchísima energía subiendo poco de temperatura.
- De noche y en invierno la devuelve lentamente.
- Por eso una ciudad costera tiene menos amplitud térmica que una del interior, y por eso el mar tarda en calentarse aunque afuera ya haga calor.
Esto conecta directo con el módulo D: buena parte del calor extra que retiene el planeta termina en el océano, y eso retrasa los efectos que se ven en el aire. El sistema tarda en responder porque hay mucha agua de por medio.
Animación
Descripción de la animación
El agua tiene una capacidad calorífica específica altísima: 4180 joules por cada kilo y cada grado. Para comparar: el aluminio necesita 900, la arena seca unos 800 y el hierro 450.
Eso quiere decir que si le entregás la misma cantidad de energía a un kilo de cada uno, el agua es la que menos sube de temperatura, y el hierro el que más: casi diez veces más que el agua.
Lo sentís cada verano. Al mediodía, la arena de la playa quema y el agua del mar sigue fresca, aunque el Sol les estuvo dando lo mismo a las dos durante toda la mañana. Lo que cambia no es cuánta energía recibieron, sino cuánto les cuesta subir de temperatura con esa energía.
Y hay algo que cuesta todavía más: cambiar de estado. Derretir un kilo de hielo que ya está a cero grados necesita 334 000 joules. Evaporar un kilo de agua que ya está a cien grados necesita 2 260 000. Y en los dos casos el termómetro no se mueve ni un grado mientras tanto.
Eso pasa porque toda esa energía no se usa para que las moléculas se muevan más rápido, que es lo que mide el termómetro, sino para separarlas unas de otras rompiendo puentes de hidrógeno.
La consecuencia es grande. El mar absorbe enormes cantidades de energía sin calentarse de golpe, y la devuelve de noche sin enfriarse de golpe: por eso el clima de la costa es mucho más parejo que el del interior. Y por eso transpirar enfría: evaporar el sudor le sale carísimo a tu cuerpo, y esa energía sale de él.
Fuentes de la animación: CRC Handbook of Chemistry and Physics, tablas de propiedades térmicas, para las capacidades caloríficas específicas y los calores latentes. Esquema, no está a escala real: la longitud de las barras representa cuánto sube la temperatura, no un valor medido.
Láminas para descargar
Cuánto cuesta calentar agua
Calor latente
Actividades
1. Dos ollas
Tenés un kilo de agua y un kilo de aluminio, los dos a $20\ \mathrm{^\circ C}$, y les das la misma cantidad de energía.
- ¿Cuál termina más caliente? Justificá con los números de la tabla.
- Si le das $41\,800\ \mathrm{J}$ al kilo de agua, ¿cuántos grados sube? Escribí la cuenta con las unidades.
- Con esa misma energía, ¿cuántos grados subiría el kilo de aluminio?
2. La curva que se queda quieta
En la Unidad 2 hiciste una curva de enfriamiento. Ahora al revés: calentás hielo a $-10\ \mathrm{^\circ C}$ hasta que todo se convierte en vapor.
- Dibujá el gráfico de temperatura en función del tiempo, a mano alzada.
- Marcá los dos tramos en los que la temperatura no cambia y escribí al lado qué está pasando con las moléculas en cada uno.
- Uno de esos dos tramos es mucho más largo que el otro. ¿Cuál, y por qué? Usá los datos de la tabla de calor latente.
3. Una ciudad en la costa
Escribí una respuesta ordenada en tres partes.
Autoevaluación
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación, tanto si acertaste como si no: leela aunque hayas acertado.
Cargando preguntas…