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Así que, sin más preámbulos, ¡vamos a hablar de la curva de calentamiento del agua!
En primer lugar, repasaremos qué es la curva de calentamiento del agua.
A continuación, veremos el significado de una curva de calentamiento y un gráfico básico de la curva de calentamiento del agua.
A continuación, veremos la curva de calentamiento de la ecuación del agua.
Por último, aprenderemos a calcular los cambios de energía de la curva de calentamiento del agua.
Significado de la curva de calentamiento del agua
Para empezar, veamos el significado de la curva de calentamiento del agua.
La curva de calentamiento del agua se utiliza para mostrar cómo cambia la temperatura de una determinada cantidad de agua a medida que se añade calor constantemente.
La curva de calentamiento del agua es importante porque muestra la relación entre la cantidad de calor aportada y el cambio de temperatura de la sustancia.
En este caso, la sustancia es el agua.
Es vital que comprendamos los cambios de fase del agua, que pueden representarse convenientemente en un gráfico, ya que muestran características que son comunes cuando se trata de agua.
Por ejemplo, es útil saber a qué temperatura se derrite el hielo o a qué temperatura hierve el agua cuando quieres cocinar a diario.
Figura 1: Para hervir una taza de té necesitamos la curva de calentamiento del agua. Daniela Lin, Estudio Smarter Originals.
Incluso para preparar una taza de té como la que se muestra arriba, necesitas hervir agua. Conocer la temperatura a la que hierve el agua es importante para este proceso. Aquí es donde resulta útil una representación gráfica de la curva de calentamiento del agua.
Representar gráficamente una curva de calentamiento del agua
Para representar gráficamente una curva de calentamiento del agua, primero tenemos que tener en cuenta la definición de curva de calentamiento del agua que hemos mencionado antes.
Esto significa que queremos que nuestro gráfico refleje los cambios de temperatura del agua cuando añadimos una determinada cantidad de calor.
Figura 2: Curva de calentamiento del agua mostrada. Daniela Lin, Estudio Smarter Originals.
Nuestro eje x mide la cantidad de calor añadida. Mientras tanto, nuestro eje y se ocupa de los cambios de temperatura del agua como resultado de que añadamos una determinada cantidad de calor.
Después de entender cómo graficamos nuestros ejes x e y, también tenemos que aprender sobre los cambios de fase.
En la figura siguiente, nuestra agua comienza como hielo a unos -30 grados Celsius (°C). Comenzamos añadiendo calor a un ritmo constante. Una vez que nuestra temperatura alcanza los 0 °C, nuestro hielo entra en el proceso de fusión. Durante los cambios de fase, la temperatura del agua permanece constante. Esto se denota por la línea horizontal discontinua que se muestra en nuestro gráfico. Esto ocurre porque a medida que añadimos calor al sistema no cambia la temperatura de la mezcla de hielo y agua. Ten en cuenta que, desde un punto de vista científico, el calor y la temperatura no son lo mismo.
Lo mismo ocurre más tarde, cuando nuestra agua, ahora líquida, empieza a hervir a una temperatura de 100 °C. A medida que añadimos más calor al sistema obtenemos una mezcla de agua y vapor. En otras palabras, la temperatura se mantiene a 100 °C hasta que el calor añadido vence las fuerzas atractivas del enlace de hidrógeno en el sistema y toda el agua líquida se convierte en vapor. Después, el calentamiento continuado de nuestro vapor de agua provoca un aumento de la temperatura.
Para comprenderlo mejor, repasemos de nuevo la representación gráfica de la curva de calentamiento del agua, pero esta vez con números que detallan los cambios.
Figura 3: Representación gráfica de la curva de calentamiento del agua, con las fases etiquetadas. Daniela Lin, Estudio Smarter Originals.
En la figura 3 podemos ver que
1) Partimos de -30 °C con hielo sólido y presión estándar (1 atm).
1-2) A continuación, a partir de los pasos 1-2, a medida que el hielo sólido se calienta las moléculas de agua empiezan a vibrar al absorber energía cinética.
2-3)A continuación, a partir de los pasos 2-3, se produce un cambio de fase, ya que el hielo empieza a fundirse a 0 °C. La temperatura sigue siendo la misma, ya que el calor constante que se añade está ayudando a vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua sólida.
3) En el punto 3, el hielo se ha fundido con éxito en agua.
3-4) Esto significa que a partir de los pasos 3-4, al seguir añadiendo calor constante, el agua líquida empieza a calentarse.
4-5)A continuación, los pasos 4-5, implican otro cambio de fase, ya que el agua líquida empieza a vaporizarse.
5) Finalmente, cuando se vencen las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua líquida, el agua se convierte en vapor o gas a 100 °C. El calentamiento continuado de nuestro vapor es lo que hace que la temperatura siga aumentando más allá de los 100 °C.
Para más información sobre las fuerzas atractivas, consulta nuestro artículo "Fuerzas intermoleculares" o "Tipos de fuerzas intermoleculares".
Ejemplos de curva de calentamiento del agua
Ahora que ya sabemos cómo representar gráficamente la curva de calentamiento del agua. A continuación, debemos ocuparnos de ejemplos reales de cómo utilizar la curva de calentamiento del agua.
Ecuación y experimento de la curva de calentamiento del agua
Parte de la comprensión de cómo utilizar la curva de calentamiento del agua consiste en entender las ecuaciones implicadas.
La pendiente de la línea de nuestra curva de calentamiento depende de la masa y el calor específico de la sustancia con la que estamos tratando.
Por ejemplo, si estamos tratando con hielo sólido, entonces necesitamos conocer la masa y el calor específico del hielo.
El calor específico de una sustancia (C ) es el número de julios necesarios para elevar 1 g de una sustancia 1 Celsius.
Figura 4: Representación gráfica de la curva de calentamiento del agua, con una serie de fórmulas de calor, etiquetadas para mayor claridad. A continuación se ofrece una explicación de cada cambio. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Los cambios de temperatura se producen cuando la pendiente no es una línea constante. Esto significa que se producen a partir de los pasos 1-2, 3-4 y 5-6.
Las ecuaciones que utilizamos para calcular estos pasos concretos son:
Ecuación de la Curva de Calor del Agua
$$Q= m \times C \times \Delta T $$
donde,
m= masa de una sustancia específica en gramos (g)
C= calor específico de capacidad de una sustancia(J/(g °C))
La capacidad calorífica específica, C, también es diferente según se trate de hielo, Cs= 2,06 J/(g °C), o de agua líquida,Cl =4,184 J/(g °C), o de vapor,Cv =2,01 J/(g °C).
\(\Delta T \) = cambio de temperatura (Kelvin o Celsius)
Esta ecuación es para las partes de cambio de temperatura del gráfico en función de la energía. Puesto que hay cambios de temperatura en estas etapas, nuestra ecuación para hallar los cambios de calor del agua en estos puntos concretos implica la masa, el calor específico de capacidad y el cambio de temperatura de la sustancia con la que estamos tratando.
Ten en cuenta que Q representa la cantidad de calor transferida hacia y desde un objeto.
En cambio, los cambios de fase se producen cuando la pendiente es cero. Es decir, se producen a partir de los pasos 2-3 y 4-5. En estos cambios de fase, no hay cambio de temperatura, nuestra ecuación sólo implica la masa de una sustancia y el calor específico de cambio.
Para los pasos 2-3, como no hay cambio de temperatura, estamos añadiendo calor para ayudar a superar el enlace de hidrógeno dentro del hielo para convertirlo en agua líquida. Entonces nuestra ecuación sólo se ocupa de la masa de nuestra sustancia específica, que es el hielo en este punto del cálculo, y del calor de fusión o cambio de entalpía (H) de fusión.
Esto se debe a que el calor de fusión se ocupa del cambio de calor debido a la energía que se aporta en forma de calor constante para licuar el hielo.
Mientras tanto, los pasos 4-5 son iguales que los pasos 2-3, excepto que nos ocupamos del cambio de calor debido a la vaporización del agua a vapor o entalpía de vaporización.
Ecuación de la curva de calor del agua
$$Q = n \veces \Delta H$$
donde,
n = número de moles de una sustancia
\( \Delta H \) = cambio de calor o entalpía molar (J/g)
Esta ecuación es para las partes de cambio de fase del gráfico, donde ΔH es el calor de fusión para el hielo,ΔHf, o es el calor de vaporización para el agua líquida, ΔHv, dependiendo del cambio de fase que estemos calculando.
Cálculo de los cambios de energía para la curva de calentamiento del agua
Ahora que hemos repasado las ecuaciones relativas a todos los cambios de nuestra curva de calentamiento del agua. Vamos a calcular los cambios de energía para la curva de calentamiento del agua utilizando las ecuaciones que hemos aprendido anteriormente.
Utilizando la información dada a continuación. Calcula los cambios de energía para todos los pasos mostrados en la curva de calor para el gráfico del agua hasta 150 °C.
Dada una masa (m) de 90 g de hielo y los calores específicos del hielo o Cs= 2,06 J/(g °C), del agua líquida oCl =4,184 J/(g °C), y del vapor oCv =2,01 J/(g °C). Halla toda la cantidad de calor (Q) necesaria si convertimos 10 g de hielo a -30 °C en vapor a 150 °C. También necesitarás los valores de entalpía de fusión, ΔHf = 6,02 kJ/mol, y entalpía de vaporización, ΔHv= 40,6 kJ/mol.
La solución es:
Figura 5: Representación gráfica de la curva de calentamiento del agua etiquetada como ejemplo. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
1-2) Hielo que se calienta: Se trata de un cambio de temperatura, ya que la pendiente no es una línea horizontal plana.
\(Q_1 = m \veces C_s \veces \Delta T \)
\(Q_1\) = (90 g de hielo) x(2,06 J/(g °C)) x (0 °C-(-30°C ) )
\(Q_1\) = 5,562 J ó 5,562 kJ
2-3) Hielo que se funde (punto de fusión del hielo): Se trata de un cambio de fase, ya que la pendiente es cero en este punto.
\( Q_2 = n \ veces \Delta H_f \)
Necesitamos convertir gramos a moles, dado que 1 mol de agua = 18,015 g de agua.
\(Q_2\) = (90 g de hielo) x \( \frac {1 mol} {18,015 g} \) x 6,02 kJ/mol
\(Q_2\) = 30,07 kJ
3-4) Agua líquida calentándose: Se trata de un cambio de temperatura, ya que la pendiente no es una línea horizontal plana.
\(Q_3 = m \times C_l \times \Delta T \)
\(Q_1\) = (90 g de hielo) x(4,184 J/(g °C)) x (100 °C-0°C )
\(Q_1\) = 37,656 J ó 37,656 kJ
4-5) El agua se vaporiza (punto de ebullición del agua): Es un cambio de fase ya que la pendiente es cero.
\( Q_4 = n \veces \Delta H_v \)
Necesitamos convertir gramos a moles, dado que 1 mol de agua = 18,015 g de agua.
\(Q_2\) = (90 g de hielo) x \( \frac {1 mol} {18,015 g} \) x 40,6 kJ/mol = 202,83 kJ
5-6) Vapor que se calienta: Es un cambio de temperatura, ya que la pendiente no es una línea horizontal plana.
\(Q_5 = m \veces C_v \veces \Delta T \)
\(Q_1\) = (90 g de hielo) x ( 2,01 J/(g °C)) x (150 °C-100°C)
\(Q_1\) = 9,045 J ó 9,045 kJ
Por tanto, la cantidad total de calor son todos los valores Q sumados
Q total = \(Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5\)
Q total = 5,562 kJ + 30,07 kJ + 37,656 kJ + 202,83 kJ + 9,045 kJ
Q total = 285,163 kJ
La cantidad de calor (Q) necesaria si convertimos 10 g de hielo a -30 °C en vapor a 150 °C es de 285,163 kJ.
Has llegado al final de este artículo. A estas alturas ya deberías entender cómo construir una curva de calentamiento del agua, por qué es importante conocer la curva de calentamiento del agua y cómo calcular los cambios de energía asociados a ella.
Para practicar más, consulta las fichas asociadas a este artículo.
Curva de calentamiento del agua - Puntos clave
La curva de calentamiento del agua se utiliza para mostrar cómo cambia la temperatura de una determinada cantidad de agua a medida que se añade calor constantemente.
La curva de calentamiento del agua es importante porque muestra la relación entre la cantidad de calor aportada y el cambio de temperatura de la sustancia.
Es vital que comprendamos los cambios de fase del agua, que pueden graficarse convenientemente en un gráfico.
La pendiente de la línea de nuestra curva de calentamiento depende de la masa, el calor específico y la fase de la sustancia con la que estamos tratando.
Referencias
- Libretextos. (2020, 25 de agosto). 11.7: Curva de calentamiento del agua. LibreTextos de Química.
- Tutorial del Aula de Física. El Aula de Física. (s.f.).
- Libretextos. (2021, 28 de febrero). 8.1: Curvas de calentamiento y cambios de fase. LibreTextos de Química.
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