Química - 3º B.D.

Para reforzar las conclusiones de la experiencia 5 se plantea esta experiencia en la que se observan cambios en la temperatura sin un intercambio de calor.

PreLab: Comenzar por resaltar que ya se ha discutido que el calor y la temperatura no son equivalentes. 

Lab: Se mide el aumento de la temperatura del agua provocada por la disolución del NaOH sólido y la disminución de la temperatura del agua provocada por la disolución del KNO₃. (También se puede determinar cualitativamente el aumento de la temperatura de una regla cuando se frota con una tela o lana, o de ambas manos al frotarlas entre sí, aunque no se pueda medir con un termómetro). Se debe tener especial cuidado en definir los sistemas involucrados y en medir las temperaturas iniciales y finales. Es fundamental EVITAR usar los verbos calentar, enfriar, etc. Es conveniente hablar de entregar calor, aumentar la temperatura, etc.

PostLab: Los alumnos deben corregir la tercer conclusión en el formulario PreLab de la experiencia 5.

Lo más importante de esta experiencia es el arribo a la conclusión de que los conceptos de calor y de temperatura son diferentes y, en consecuencia, no siempre están asociados.

Para el profesor: Para el caso en el que se disuelve NaOH sólido en agua, el docente puede incurrir en el error muy común de explicar el fenómeno diciendo "la temperatura sube porque la disolución del NaOH en agua desprende calor, el que es utilizado por la solución para aumentar su temperatura". Para analizar por qué dicha frase NO es correcta, se debe recurrir en primer lugar a la definición termodinámica de CALOR. El CALOR es una cantidad que fluye a través de las fronteras de un sistema, durante una transformación, en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores; el calor fluye desde el punto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

Por dicha definición se deben resaltar las siguientes propiedades del calor:

• aparece SOLO EN LAS FRONTERAS del sistema
• aparece SOLO DURANTE UNA TRANSFORMACIÓN
• se manifiesta como un efecto en los alrededores
• es una magnitud algebraica (NO SE DEFINE COMO UNA ENERGÍA MÁS).

En el caso de la disolución de NaOH en agua se debe comenzar por definir el sistema. Por sencillez se toma el contenido en el recipiente, es decir, el formado por el agua y la soda, siendo sus fronteras el recipiente y la superficie del líquido (pueden definirse otros sistemas pero la discusión en clase se torna mucho más difícil).

Para entender mejor el proceso, se puede imaginar el mismo sistema anterior pero contenido en un recipiente adiabático y rígido. En este caso no existe ni trabajo mecánico (puesto que el recipiente no puede modificar su volumen) ni calor (recordar que no hay calor porque éste sólo se puede manifestar en las fronteras del sistema y en este caso, ellas son adiabáticas). Al disolverse la soda en el agua la temperatura sube; por lo tanto, existe un aumento de temperatura sin transmisión de calor. ¿Cuál es la correcta explicación de por qué aumenta la temperatura? La respuesta no es sencilla pero podría resumirse así: aplicando a este caso el Primer Principio de la Termodinámica (ΔE = Q - W), la variación de la energía interna es cero ya que W = Q = 0. La "energía interna" es, en realidad, la energía total del sistema (incluye las energías térmica, de rotación de las moléculas, de los enlaces, de red, de solvatación, etc.). Al disolverse la soda en agua, alguno de esos términos disminuyen, mientras que otros aumentan PERO DE MODO TAL QUE EL TOTAL PERMANECE CONSTANTE. En este caso uno de los términos que aumenta es el de la energía térmica, lo que se visualiza como el aumento de la temperatura del sistema.

Si se considera ahora el sistema sin la aislación (como ocurre generalmente en el laboratorio de clase), la explicación anterior es una buena aproximación al porqué del aumento de la temperatura al disolverse NaOH en agua. Esto es debido a que la disolución es muy rápida por lo que el sistema no tiene tiempo de transferir calor hacia el exterior: se puede considerar la disolución como si fuese prácticamente adiabática. LUEGO de que la temperatura del sistema aumentó, existe transferencia de calor hacia el ambiente (pues éste se encuentra a una temperatura menor). En resumen, la explicación del aumento de temperatura de este sistema no es tan sencilla como parece en primer momento. Si el docente llegara a explicar el aumento de temperatura como se indicó al principio: "la temperatura sube porque la disolución del NaOH en agua desprende calor, el que es utilizado por la solución para aumentar su temperatura" estaría incurriendo en un grave error conceptual y, a la vez, echando por tierra el objetivo de que el estudiante observe que existen procesos en los que cambia la temperatura sin transferencia de calor.

A los efectos de la clase, se recomienda que el profesor señale que al disolverse el NaOH en agua, la temperatura aumenta sin que exista ningún agente que entregue calor. Puede ser que surja en clase la discusión de que existe intercambio de calor con el ambiente; el profesor debe dejar bien claro que ese es un fenómeno que ocurre DESPUÉS del aumento de la temperatura.

El fenómeno de la disolución de KNO₃ en agua se puede explicar de modo similar sólo que la temperatura disminuye en vez de aumentar pues es un proceso endotérmico.

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