Alta Capacidad Calorífica del Agua

¿Qué es el calor específico del agua?

La cantidad de calor que debe absorber o perder un gramo de materia para que su temperatura cambie un grado centígrado se denomina calor específico.

La siguiente ecuación muestra la relación entre el calor transferido (Q) y el cambio de temperatura (T):

$Q=cm∆T$

En esta ecuación, m representa la masa de la sustancia (a la que se transfiere o desde la que se transfiere el calor), mientras que el valor c representa el calor específico de la sustancia.

El agua tiene uno de los calores específicos más elevados entre las sustancias materiales comunes, con aproximadamente 1 caloría/gramo °C = 4,2 julios/gramo °C.

El elevado calor específico del agua y otros ejemplos

Como referencia,la Figura 1 compara el calor específico del agua con el de otras sustancias comunes.

Figura 1. Esta tabla compara el agua con varias sustancias comunes en términos de su calor específico.

Como el agua tiene una elevada capacidad calorífica específica, se necesita mucha energía para crear cambios de temperatura. Es la razón por la que el café tarda mucho en enfriarse, o por la que "una olla vigilada nunca hierve". También es la razón por la que el medio ambiente tarda mucho tiempo en responder a los cambios externos.

Cuando se añade a la atmósfera una cantidad determinada de dióxido de carbono (_CO2) en exceso, por ejemplo, el impacto del calentamiento en el aire, la tierra y el océano tarda en manifestarse plenamente. Incluso si hubiera un medio de añadir directamente calor a la Tierra (que está formada en gran parte por agua), las temperaturas tardarían en subir.

Esto significa que el océano puede absorber una cantidad importante de calor antes de que su temperatura aumente significativamente. Del mismo modo, cuando se elimina una fuente externa de energía, el océano responde lentamente y su temperatura no empezará a descender inmediatamente.

En pocas palabras, la elevada capacidad calorífica específica del agua le permite mantener una temperatura estable, lo que es muy crucial para sostener la vida en la Tierra.

¿Cuál es la relación entre el elevado calor específico del agua y su enlace químico?

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes polares a un átomo de oxígeno. Cuando dos átomos comparten mutuamente electrones de valencia, se habla de enlace covalente.

El agua es una molécula polar porque sus átomos de hidrógeno y oxígeno comparten electrones de forma desigual debido a diferencias de electronegatividad.

Cada átomo de hidrógeno tiene un núcleo compuesto por un único protón cargado positivamente y un electrón cargado negativamente que orbita alrededor del núcleo. En cambio, cada átomo de oxígeno tiene un núcleo compuesto por ocho protones cargados positivamente y ocho neutrones sin carga, con ocho electrones cargados negativamente orbitando alrededor del núcleo.

Como el átomo de oxígeno tiene una electronegatividad mayor que el átomo de hidrógeno, los electrones son atraídos hacia el oxígeno y repelidos por el hidrógeno. Durante la formación de una molécula de agua, los diez electrones se enlazan y forman cinco orbitales, dejando dos pares solitarios. Los dos pares solitarios se asocian al átomo de oxígeno.

Como resultado, los átomos de oxígeno tienen una carga parcial negativa (δ-), mientras que los átomos de hidrógeno tienen una carga parcial positiva (δ+). Mientras que la molécula de agua no tiene carga neta, los átomos de hidrógeno y oxígeno tienen cargas parciales.

Como los átomos de hidrógeno de una molécula de agua están parcialmente cargados positivamente, se sienten atraídos por los átomos de oxígeno parcialmente cargados negativamente de las moléculas de agua cercanas, lo que permite que se forme un tipo diferente de enlace químico llamado enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua cercanas u otras moléculas cargadas negativamente.

Diagrama de enlace de hidrógeno de moléculas de agua de alto calor específico

Un enlace de hidrógeno esun enlace que se forma entre un átomo de hidrógeno parcialmente cargado positivamente y un átomo electronegativo.

Los enlaces de hidrógeno no son enlaces "reales", como lo son los enlaces covalentes, iónicos y metálicos. Los enlaces covalentes, iónicos y metálicos son atracciones electrostáticas intramoleculares, lo que significa que mantienen unidos a los átomos dentro de una molécula. En cambio, los enlacesde hidrógeno son fuerzas intermoleculares , es decir, se producen entre moléculas (Fig. 2).

Aunque los enlaces de hidrógeno individuales suelen ser débiles, cuando se forman en grandes cantidades -como en el agua y los polímeros orgánicos- tienen un impacto sustancial.

¿Cómo es que los enlaces de hidrógeno conducen a un elevado calor específico del agua?

El calor es básicamente la energía generada por el movimiento de las moléculas. Dado que las moléculas de agua están unidas a otras moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno, debe haber una enorme cantidad de energía calorífica para, primero, romper los enlaces de hidrógeno y, después, acelerar el movimiento de las moléculas, provocando así el aumento de la temperatura del agua.

Por ello, la inversión de una caloría de calor produce un cambio relativamente pequeño en la temperatura del agua, porque gran parte de la energía se utiliza para romper los enlaces de hidrógeno y no para acelerar el movimiento de las moléculas de agua.

Podemos realizar un experimento para medir el calor específico de las sustancias utilizando el cambio de temperatura del agua

Para determinar el calor específico de una sustancia u objeto se puede utilizar un método llamadocalorimetría.

La calorimetría puede resumirse en cuatro pasos básicos:

1. Eleva la temperatura de la sustancia a un nivel predeterminado.

2. Ponesta sustancia en un recipiente térmicamente aislado con agua de masa y temperatura conocidas.

3. Deja que el agua y la sustancia alcancen el equilibrio.

4. Toma la temperatura de ambas cuando estén en equilibrio.

Como el recipiente está aislado térmicamente, la energía calorífica se transmite sólo al agua y no al entorno. Como resultado, el calor transmitido desde el objeto es igual al calor absorbido por el agua.

Con esto, podemos utilizar la fórmula $Q=cm∆T$ para escribir esta transferencia de calor en términos de la siguiente fórmula para resolver el calor específico de la sustancia u objeto.

$c_o=\frac{m_w{c}_w(T_{eq}-T_{cold})}{m_o(T_{hot}-T_{eq})}$

Donde

_mo es la masa del objeto

_{mw es} la masa del agua

_co es el calor específico del objeto

_cw es el calor específico del agua

_Teq es la temperatura de equilibrio

_Thot es la temperatura inicial del objeto

_Tfrío es la temperatura inicial del agua

¿Cuál es la importancia del elevado calor específico del agua para mantener la vida en la Tierra?

La temperatura es un factor ambiental que puede limitar o aumentar la capacidad de los organismos para sobrevivir y reproducirse. Mantener una temperatura estable es crucial para la supervivencia de tantos organismos. El agua (ya sea en el medio ambiente o dentro del organismo) puede ayudar a regular la temperatura corporal debido a su elevado calor específico.

Las grandes masas de agua pueden regular su temperatura debido a la elevada capacidad calorífica específica del agua. Los océanos, por ejemplo, tienen una mayor capacidad calorífica que la tierra porque el agua tiene un calor específico más elevado que la tierra seca. A diferencia de los océanos, la tierra tiende a calentarse más rápidamente y a alcanzar temperaturas más altas. También tienden a enfriarse más rápidamente y alcanzar temperaturas más bajas.

Del mismo modo, el elevado calor específico del agua también explica por qué las temperaturas en tierra cerca de masas de agua son más suaves y estables. Es decir, como la elevada capacidad calorífica del agua limita su temperatura dentro de un intervalo relativamente pequeño, los mares y las zonas terrestres costeras tienen temperaturas más estables que los lugares del interior. Por otra parte, las zonas más alejadas de la costa suelen tener un rango significativamente mayor de temperaturas estacionales y diarias.

También podemos ver cómo influye el elevado calor específico del agua en la capacidad de los organismos para regular su temperatura interna. Los animales de sangre caliente, por ejemplo, son capaces de aprovechar el elevado calor específico del agua para conseguir una distribución más uniforme del calor en su cuerpo. Al igual que el sistema de refrigeración de un coche, el agua facilita el movimiento del calor de los puntos calientes a los fríos, ayudando al cuerpo a mantener una temperatura más constante.