Termodinámica en una taza de café

Superciencia. Número 83

Nada en la vida es seguro excepto la muerte, los impuestos y la segunda ley de la termodinámica.
Seth Lloyd

Lucas se está preparando una taza de café en su oficina. Su taza favorita tiene una capacidad de un cuarto de litro, por lo tanto, el agua contenida en su taza tiene una masa de 250 gramos =0.25 kg.

El agua que vierte en la taza tiene una temperatura de 15°C, que es la temperatura del ambiente, (Primera ley de la termodinámica).

A Lucas le gusta su café bien caliente, aproximadamente a 95°C, por lo que tiene que calentar el agua, es decir, tiene que proporcionarle calor. Al recibir el calor, las moléculas del agua comienzan a vibrar más intensamente y eso significa que está aumentando su energía interna.

El cambio de la energía interna de las moléculas del agua lo podemos medir si medimos la masa del agua, el cambio de temperatura y consideramos su calor específico. (Segunda ley de la termodinámica).

Para simplificar los cálculos no consideramos el calor que gana la taza ni el que se escapa en los alrededores.

La masa del agua ya la sabemos, esta es igual a 0.25 kg. El calor específico del agua es la cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado Celsius, una unidad de masa.

El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C (una caloría por gramo por grado Celsius): que es igual a 4186 Joules/kg °C

Si queremos saber cuánta energía requiere Lucas para preparar su café, solo tenemos que multiplicar la masa del agua expresada en kilogramos por el calor específico del agua expresado en Joules/kg °C, por la diferencia de la temperatura. Matemáticamente  (1).

De acuerdo a (1), los cálculos de Lucas son:

E =0.250 kg x 4186 Joules/kg°C 80°C= 83 720 J.

¡Se requiere 83 720 Joules!

Lucas utiliza un horno de microondas de 700 Watts, es decir, este horno proporciona 700 Joules de energía por segundo. Cuánto tiempo deberá programar su microondas para que caliente su café, despreciando el calor que absorbe la taza que es de un material de masa pequeña y bajo calor específico.

 

Bibliografía

Gil, S. y Rodríguez, E. (2001). Física re-Creativa. Experimentos de Física usando nuevas tecnologías. Buenos Aires, Argentina: Prentice Hall