Ruta de estudio · Calor y fluidos · lección 13 de 14
F13 Calor, temperatura y cambios de estado
La idea
Entender el concepto
Objetivo: Distinguir temperatura y energía transferida y resolver calentamientos, cambios de fase y balances térmicos sencillos.
La temperatura describe el estado térmico; el calor es energía transferida por diferencia de temperatura. Dos objetos pueden estar a la misma temperatura y tener distinta energía interna. No es riguroso tratar el calor como una sustancia almacenada en el cuerpo.
Sin cambio de fase y con calor específico c aproximadamente constante, Q=mc(Tf−Ti). Q es positivo para energía térmica absorbida por el sistema y negativo si la cede. El kelvin es unidad básica SI de temperatura termodinámica; el grado Celsius es una unidad derivada SI de temperatura Celsius. Una diferencia de 1 °C tiene el mismo tamaño que 1 K: ΔT numérico es igual en ambas escalas.
Durante la fusión o ebullición de una sustancia pura en equilibrio y a presión fija, el calor puede cambiar la fase sin cambiar la temperatura. Usamos Q=mL para la energía absorbida en fusión o vaporización, y el signo contrario al solidificar o condensar. Si hay varios tramos, se calculan por separado: calentar el hielo, fundirlo y calentar el agua no son un único mcΔT.
En una mezcla aislada, sin cambios de fase, la energía cedida por lo caliente es absorbida por lo frío. El balance ΣQ=0 permite obtener la temperatura final. Si se desprecia el recipiente o las pérdidas, hay que decirlo; una temperatura final fuera de las iniciales indica un error en ese modelo.
Relaciones y condiciones de uso
- Q=mcΔT sin cambio de fase, c aproximadamente constante; c en J/(kg·K), m en kg, Q en J.
- Qabsorbida=mL durante fusión/vaporización; L en J/kg; para el proceso inverso Qcedida=−mL.
- T(K)=t(°C)+273,15; ΔT(K)=Δt(°C). En mezcla térmicamente aislada ΣQ=0.
Paso a paso
Método paso a paso
- Divide el proceso en tramos según cambie temperatura o fase.
- Convierte masa y elige c o L de la sustancia y fase.
- Suma energías con su signo; comprueba si la temperatura final es compatible con el proceso.
Ejemplo
Dos ejercicios resueltos
1. Calentar agua
Se calientan 0,40 kg de agua de 18 °C a 43 °C sin evaporación ni pérdidas. Usa c=4180 J/(kg·K). Calcula Q.
- Datos e incógnita: m=0,40 kg; ΔT=43−18=25 K; c=4180.
- Por qué usamos esta relación: No cambia la fase y c se toma constante: Q=mcΔT.
- Sustitución con unidades: Q = (0,40 kg) × [4180 J/(kg·K)] × (25 K).
- Cálculo y resultado: Q=41800 J=41,8 kJ, absorbidos.
- Comprobación: kg×J/(kg·K)×K=J. Usar 43 en lugar de 25 confundiría temperatura final con incremento.
2. Fundir hielo ya a 0 °C
Se funden 0,15 kg de hielo inicialmente a 0 °C a presión atmosférica. El agua resultante queda a 0 °C. Usa Lf=334000 J/kg.
- Datos e incógnita: m=0,15 kg; ΔT=0; transición de sólido a líquido.
- Por qué usamos esta relación: Se requiere calor latente aunque no cambie la temperatura.
- Sustitución con unidades: Q = mLf = (0,15 kg) × (334000 J/kg).
- Cálculo y resultado: Q=50100 J=50,1 kJ, absorbidos.
- Comprobación: kg·(J/kg) = J. mcΔT daría 0 porque solo describe calentamiento en una fase; no representa la fusión.
Cuidado
Error habitual y cómo corregirlo
Error: convertir un incremento de 20 °C en 293,15 K. Eso convertiría una temperatura puntual: un incremento de 20 °C equivale a 20 K.
Tu turno · enunciado
Ejercicio autónomo
Mezcla 0,20 kg de agua a 60 °C con 0,30 kg a 20 °C en recipiente térmicamente aislado de capacidad despreciable. Sin cambio de fase, misma c constante. Halla Tf.
Inténtalo en papel antes de desplegar la solución. Explica qué relación eliges y conserva las unidades.
Solución
Solución de contraste (consultar después)
Mostrar solución razonada
0,20 c(Tf−60)+0,30 c(Tf−20)=0. Se cancela c; 0,50 Tf−18=0; Tf=36 °C. La caliente cede 0,20×4180×24=20064 J y la fría absorbe 0,30×4180×16=20064 J si usamos c=4180. 36 queda entre 20 y 60.
Chuleta para el examen
Qué debes recordar
- Q=mcΔT sin cambio de fase, c aproximadamente constante; c en J/(kg·K), m en kg, Q en J.
- Qabsorbida=mL durante fusión/vaporización; L en J/kg; para el proceso inverso Qcedida=−mL.
- T(K)=t(°C)+273,15; ΔT(K)=Δt(°C). En mezcla térmicamente aislada ΣQ=0.
Para ampliar con el libro
Selección básica: lee los conceptos y ejemplos algebraicos; puedes omitir los desarrollos con cálculo. Los enlaces se abren en una pestaña nueva.
Comprueba lo que sabes
Si fallas, tienes un segundo intento antes de ver la solución.
Material y ejercicios originales de práctica, revisados el 20/10/2026. No son preguntas oficiales ni garantizan el programa del examen vigente. Los libros enlazados sirven de consulta y no se reproducen aquí.