Calculadora de equilibrio térmico
Temperatura final y calor intercambiado entre dos materiales a distintas temperaturas. Capacidad calorífica específica desconocida mediante calorimetría.
¿Qué es el equilibrio térmico?
Al poner en contacto dos materiales a distintas temperaturas, el calor fluye del más caliente al más frío. La transferencia continúa hasta que las dos temperaturas se igualan. Esa temperatura común es la temperatura de equilibrio. Si el sistema está aislado, el calor cedido por el material caliente es igual al absorbido por el frío:
m₁ × c₁ × (T − T₁) = m₂ × c₂ × (T₂ − T)
Al despejar la temperatura final:
T = (m₁ × c₁ × T₁ + m₂ × c₂ × T₂) / (m₁ × c₁ + m₂ × c₂)
La temperatura de equilibrio es una media ponderada por la capacidad calorífica (m × c) y siempre se encuentra entre las dos temperaturas iniciales.
Ejemplo: mezcla de agua
Se mezclan 2 kg de agua a 20 °C con 1 kg a 80 °C. Como es el mismo material, las capacidades caloríficas específicas se cancelan: T = (2 × 20 + 1 × 80) / 3 = 40 °C. El calor intercambiado es 2 × 4186 × 20 = 167 440 J.
Ejemplo: metal caliente en agua
Se introducen 200 g de aluminio a 100 °C en 500 g de agua a 20 °C. T = (0,5 × 4186 × 20 + 0,2 × 900 × 100) / (2093 + 180) = 26,3 °C. El metal se enfría 74 grados, mientras que el agua se calienta solo 6, porque la capacidad calorífica del agua es mucho mayor.
Cálculo de la capacidad calorífica específica mediante calorimetría
Para medir la capacidad calorífica específica de un material desconocido, se calienta la muestra, se introduce en agua de masa y temperatura conocidas y se mide la temperatura de equilibrio. La segunda pestaña de la calculadora realiza ese cálculo.
Límites
El cálculo supone un sistema aislado y materiales que no cambian de fase. Si el hielo se funde o el agua se evapora, hay que incluir por separado los calores de fusión y vaporización. Se desprecian el calor absorbido por el recipiente y las pérdidas hacia el entorno.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calcula la temperatura de equilibrio térmico?
En este ejemplo, mezclar 2 kg a 20 °C con 1 kg a 80 °C, con capacidades caloríficas específicas iguales, da una temperatura de equilibrio de 40 °C. La media ponderada por la capacidad calorífica supone un sistema aislado, sin cambios de fase, y excluye el calor absorbido por el recipiente o perdido hacia el entorno.
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