En el examen de manipulador de materiales peligrosos, es esencial comprender los conceptos básicos sobre el calor, el calor específico y la capacidad térmica. Este artículo ofrece una explicación detallada de estos conceptos, junto con problemas prácticos y explicaciones útiles para la preparación del examen.
Conceptos Básicos de Calor y Temperatura
La energía involucrada cuando una sustancia se calienta o enfría se llama «calor». Para entender este concepto, es importante conocer la relación entre calorías (cal) y julios (J), el calor específico, la relación entre temperatura absoluta y Celsius, y la capacidad térmica. En particular, el «calor específico» es fundamental, ya que indica la facilidad con que una sustancia se calienta o enfría.
Relación Entre Calorías (cal) y Julios (J)
Las unidades utilizadas para medir el calor son las calorías (cal) y los julios (J). Su relación es la siguiente:
Definición: 1 cal = 4,186 J
Referencia: 1 cal es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5°C a 15,5°C. Esta definición se basa en el cambio de temperatura del agua.
Calor Específico
El calor específico es un indicador importante que muestra la facilidad con la que una sustancia se calienta o enfría.
Definición: El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 K (o 1°C). Se expresa en unidades de J/(g·K) o J/(g·°C).
Características: Las sustancias con un calor específico bajo experimentan cambios de temperatura grandes con cantidades de calor relativamente pequeñas, lo que las hace “fáciles de calentar y enfriar”. Por ejemplo, los metales tienen un calor específico bajo, por lo que su temperatura cambia rápidamente. En cambio, las sustancias con un alto calor específico, como el agua, son más difíciles de calentar y enfriar.
Relación Entre la Temperatura Absoluta (Kelvin) y la Temperatura Celsius
Existen dos escalas de temperatura, la Celsius (°C) y la temperatura absoluta (K), que se pueden convertir usando la siguiente fórmula:
Fórmula: K (Kelvin) = °C (Celsius) + 273
La temperatura absoluta se utiliza como un indicador directo de la energía de una sustancia, con «cero absoluto» (-273°C) como punto de referencia.
Capacidad Térmica
La capacidad térmica representa la cantidad total de calor que una sustancia puede almacenar.
Definición: La capacidad térmica es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de toda la sustancia en 1°C (o 1 K).
Fórmula: Capacidad térmica = Calor específico × Masa
Características: Las sustancias con una gran capacidad térmica se calientan y enfrían lentamente. Por ejemplo, el agua tiene una alta capacidad térmica, lo que explica por qué las temperaturas de los océanos y lagos no cambian rápidamente.
Ejemplo de Problema de Práctica 1
熱に関する一般的な説明について、次のうち誤っているものはどれか。
¿Cuál de las siguientes afirmaciones generales sobre el calor es incorrecta?
(1) El calor específico se refiere a la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 g de una sustancia en 1 K (Kelvin).
(2) Las sustancias con alta conductividad térmica transfieren calor fácilmente.
(3) Las sustancias con bajo calor específico se calientan y enfrían fácilmente.
(4) El coeficiente de expansión térmica es menor en los líquidos y mayor en los gases.
(5) El volumen de un gas ideal se expande aproximadamente 1/273 de su volumen a 0°C por cada aumento de 1°C en su temperatura a presión constante.
Explicación:(4) El coeficiente de expansión térmica indica cuánto se expande el volumen de una sustancia con el aumento de la temperatura. Generalmente, los sólidos tienen el menor coeficiente de expansión, mientras que los gases tienen el mayor. Aunque el coeficiente de expansión de los líquidos es mayor que el de los sólidos, es menor que el de los gases. La afirmación correcta sería «los sólidos tienen el coeficiente de expansión más bajo, y los gases el más alto».
Respuesta: (4)
Ejemplo de Problema de Práctica 2
50℃のある物質200gに2.5kJの熱量を与えたところ、温度が60℃に上昇しました。この物質の比熱はいくらか。
Se agrega una cantidad de calor de 2,5 kJ a una sustancia de 200g a una temperatura inicial de 50°C, aumentando su temperatura a 60°C. ¿Cuál es el calor específico de esta sustancia?
(1) 0,25 J/(g·K)
(2) 0,50 J/(g·K)
(3) 0,75 J/(g·K)
(4) 1,00 J/(g·K)
(5) 1,25 J/(g·K)
Explicación: El calor específico se calcula usando la siguiente fórmula:
Calor específico = Calor (Q) ÷ (Masa (m) × Cambio de temperatura (ΔT))
En este caso:
Calor Q = 2500 J, Masa m = 200 g, Cambio de temperatura ΔT = 60°C – 50°C = 10°C.
Cálculo:Calor específico = 2500 J ÷ (200 g × 10°C) = 2500 ÷ 2000 = 0,50 J/(g·K)
Respuesta: (5)
Conclusión
El calor específico es un indicador importante de la facilidad con la que una sustancia se calienta o enfría, y es un tema frecuente en el examen de manipulador de materiales peligrosos. Para prepararse, asegúrese de comprender bien el calor específico, la capacidad térmica, la conductividad térmica y otros conceptos básicos, de modo que pueda abordar problemas relacionados con el cambio de temperatura.
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