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556 Capítulo 20 Primera ley de la termodinámica
Categorizar
Modele el sistema de la barra y la Tierra como un sistema no aislado.
Analizar Reduzca la ecuación de conservación
de energía, ecuación 8.2, a la expresión adecuada
para el sistema de la barra y la Tierra:
Exprese el cambio en energía potencial gravitacional
del sistema después de que la barra se
eleva una vez:
Exprese la cantidad de energía total que debe
transferirse al sistema mediante trabajo por levantar
la barra n veces, si supone que no vuelve
a ganar energía cuando la barra se baja:
1) ¢U total W total
¢U mgh
2) ¢U total nmgh
Sustituya la ecuación 2) en la ecuación 1): nmgh W total
Resuelva para n:
n
W total
mgh
12 000 Cal2
150.0 kg2 19.80 m>s 2 212.00 m2 a 1.00 103 cal
ba 4.186 J
b
Caloría 1 cal
8.54 10 3 veces
Finalizar Si el estudiante está en buena forma y levanta la barra una vez cada 5 s, le tomará aproximadamente 12 h realizar
esta proeza. Es claro, resulta mucho más fácil que el estudiante pierda peso mediante una dieta.
En realidad, el cuerpo humano no es 100% eficiente. Debido a eso, no toda la energía de la comida transformada dentro
del cuerpo se transfiere afuera del cuerpo mediante trabajo consumido en la barra. Parte de esta energía se usa para bombear
sangre y realizar otras funciones dentro del cuerpo. En consecuencia, las 2 000 Calorías se gastan en menos de 12 h
cuando se incluyen estos otros requerimientos energéticos.
20.2 Calor específico y calorimetría
Cuando se le agrega energía a un sistema y no hay cambio en las energías cinética o potencial
del sistema, por lo general la temperatura del sistema aumenta. (Una excepción a esta
afirmación sucede cuando un sistema se somete a un cambio de estado, también llamado
transición de fase, como se explica en la siguiente sección.) Si el sistema consiste en una
muestra de una sustancia, se encuentra que la cantidad de energía requerida para elevar
la temperatura de una masa determinada de la sustancia a cierta cantidad varía de una
sustancia a otra. Por ejemplo, la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura
de 1 kg de agua en 1°C es 4 186 J, pero la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura
de 1 kg de cobre en 1°C sólo es de 387 J. En la explicación que sigue se usará el
calor como ejemplo de transferencia de energía, pero tenga en mente que la temperatura
del sistema podría cambiar mediante cualquier método de transferencia de energía.
La capacidad térmica C de una muestra particular se define como la cantidad de energía
necesaria para elevar la temperatura de dicha muestra en 1°C. A partir de esta definición,
se ve que, si la energía Q produce un cambio T en la temperatura de una muestra,
en tal caso
Q C T (20.2)
El calor específico c de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa. Por
lo tanto, si a una muestra de una sustancia con masa m se le transfiere energía Q y la temperatura
de la muestra cambia en T, el calor específico de la sustancia es