1.12 Calor y temperatura

Ejemplo 1.15 Densidad relativa, volumen, porcentaje en masa

El ácido de los acumuladores de automóvil se compone de 40.0% de ácido sulfúrico, H2SO4, y 60.0% de agua, en masa. Su densidad relativa es de 1.31. Calcule la masa de H2SO4 puro que hay en 100.0 mL de esta solución ácida.

Estrategia

Los porcentajes están dados en masa, así que primero convertimos 100.0 mL de solución (soln) de ácido en masa. Para hacerlo necesitamos el dato de densidad. Ya demostramos que el valor de la densidad y de la densidad relativa es igual a 20 °C porque la densidad del agua es de 1.00 g/mL. Usamos la densidad como factor unitario para convertir el volumen de solución dado en masa de solución. Por último, utilizamos el porcentaje en masa para convertir la masa de solución en masa de ácido.

Respuesta

A partir del valor de densidad relativa, podemos escribir Densidad 5 1.31 g/mL La solución tiene 40.0% de H2SO4 y 60.0% de H2O, en masa. Con esta información podemos establecer el factor unitario deseado: 40.0g deH2SO4 100gde soln h

Ahora podemos resolver el problema

? H2SO4 5 100.0mL de soln 3 1.31g de soln 1mL de soln debido a que 100 g de solución contienen 40 g de H2SO4

Ahora debe resolver el ejercicio 26. 3 40.0g de H2SO4 100g de soln 5 52.4 g de H 2SO 4

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ANALICE

El uso cuidadoso de los factores unitarios ayuda a sentar las bases para resolver el ejemplo 1.15.

En la sección 1.1 aprendió que el calor es una forma de energía; también que las muchas formas de energía pueden interconvertirse y que en procesos químicos la energía química se convierte en calor, y viceversa. La cantidad de calor que se consume (endotérmico) o que se desprende (exotérmico) en un proceso nos da mucha información acerca de este. Por esta razón, es importante que seamos capaces de medir la intensidad del calor.

La temperatura mide la intensidad del calor: “lo caliente” o “lo frío” de un cuerpo. Un trozo de metal a 100 °C se siente caliente cuando lo tocamos, en tanto que un cubo de hielo a 0 °C se siente frío. ¿Por qué? Porque la temperatura del metal es más alta, y la del cubo de hielo, más baja que la de nuestro cuerpo. El calor es una forma de energía que siempre fluye de manera espontánea de un cuerpo más caliente a un cuerpo más frío; nunca fluye en dirección inversa.

La temperatura puede medirse con termómetros de mercurio. Un termómetro de mercurio se compone de un reservorio de mercurio unido a la base abierta de un tubo capilar de vidrio que se prolonga hacia arriba. El mercurio se expande mucho más que otros líquidos conforme aumenta su temperatura. A medida que se expande, podemos observar su ascenso por la columna evacuada.

Anders Celsius (1701-1744), un astrónomo sueco, inventó la escala de temperatura Celsius, a la que primero se le dio el nombre de centígrada. Cuando introducimos un termómetro Celsius a un vaso de precipitados que tiene hielo picado y agua, el nivel del mercurio queda fijo exactamente en 0 °C: el punto de referencia inferior. Dentro de un vaso de precipitados con agua hirviente a una atmósfera de presión, el nivel del mercurio queda fijo exactamente en 100 °C: el punto de referencia superior. Hay cien partes iguales entre esos dos niveles de mercurio. Estos corresponden a un intervalo de 100 grados entre el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua a una atmósfera. En la figura 1.19 se muestra cómo se establecieron las marcas de temperatura entre los puntos de referencia.

En Estados Unidos, la temperatura suele medirse en la escala de temperatura que inventó Gabriel Fahrenheit (1686-1736), un fabricante de instrumentos alemán.

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Figura 1.19 A una lectura de 45 °C en un termómetro de mercurio, d es igual a 0.45d0, donde d0 es la distancia del nivel de mercurio a 0 °C al nivel a 100 °C.

En esta escala, los puntos de fusión y de ebullición del agua ahora se definen como 32 °F y 212 °F, respectivamente. En el trabajo científico, la temperatura suele expresarse en la escala Kelvin (absoluta) de temperatura. Como veremos en la sección 9.5, el punto cero de la escala de temperatura Kelvin se determinó a partir del comportamiento observado de toda la materia.

En la figura 1.20 se ilustra la relación entre las tres escalas de temperatura. Entre el punto de congelación del agua y el punto de ebullición del agua hay 100 grados (°C o K, respectivamente) en las escalas Celsius y Kelvin. Por lo tanto, el “grado” es del mismo tamaño en las escalas Celsius y Kelvin. Sin embargo, cada temperatura Kelvin tiene 273.15 unidades más que la temperatura Celsius correspondiente. La relación entre estas dos escalas es:

▶ Por lo común, redondeamos 273.15 a 273.

▶ Los números en estas relaciones son números exactos; por lo tanto, no deben afectar el número de cifras significativas en el resultado calculado. ? K 5 °C 1 273.15° o ? °C 5 K 2 273.15°

En el sistema si, el símbolo de “grados Kelvin” es K (en lugar de °K) y su nombre es kelvin.

Todo cambio de temperatura tiene el mismo valor numérico en las escalas Celsius o Kelvin. Por ejemplo, un cambio de 25 °C a 59 °C representa un cambio de 34 grados Celsius. En la conversión de estos a la escala Kelvin, el mismo cambio se expresa como (273 1 25) 5 298 K a (59 1 273) 5 332 K o un cambio de 34 kelvins.

Si comparamos las escalas Fahrenheit y Celsius, encontramos que los intervalos entre los mismos puntos de referencia son de 180 grados Fahrenheit y 100 grados Celsius, respectivamente. Por lo tanto, un grado Fahrenheit debe ser más pequeño que un grado Celsius. Se necesitan 180 grados Fahrenheit para cubrir el mismo intervalo de temperatura de 100 grados Celsius. A partir de esta información podemos establecer los factores unitarios de los cambios de temperatura:

180 °F 100 °C o 1.8 °F 1.0 °C y 100 °C 180 °F o 1.0 °C 1.8 °F

No obstante, los puntos de partida de las dos escalas son diferentes, de modo que no podemos convertir las temperaturas de una escala a la otra con sólo multiplicar por el factor unitario. Para convertir °F a °C debemos restar 32 grados Fahrenheit para llegar al punto cero de la escala Celsius (figura 1.20).

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Figura 1.20 Relación entre las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit.