¿Por qué la capacidad calorífica específica de una misma sustancia es diferente en sus distintas fases (estado de la materia)?

Question

Concise Physics ICSE Volumen II página 265 menciona lo siguiente:

La capacidad calorífica específica de una misma sustancia es diferente en sus distintas fases. La capacidad calorífica específica del agua es de 4200 J kg^-1 K^-1, la del hielo es de 2100 J kg^-1 K^-1 y la del vapor es de 460 J kg^-l K^-l.

Después de leer el texto busqué en otros libros y en Internet. Pero no conseguí una respuesta convincente que explicara por qué la capacidad calorífica específica de la misma sustancia difiere en diferentes estados de la materia (fases). ¿Podría alguien explicarme por qué ocurre esto?

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Answer 1

Hay que verlo desde el punto de vista de la fuerza de enlace intermolecular. Más fuerza intermolecular significa más capacidad calorífica específica, porque el calor que se suministra tiene que superar las fuerzas intermoleculares para elevar la temperatura. Ciertamente, las fuerzas serán diferentes para los distintos estados de la materia y eso explica una parte: la capacidad calorífica específica en función del estado de la materia.

Ahora bien, intuitivamente, se podría pensar que los sólidos tendrán fuerzas mayores en comparación con los líquidos y los gases, y las capacidades caloríficas específicas deberían mostrar una tendencia similar, es decir, capacidad calorífica específica del hielo > agua > vapor.

Sin embargo, el agua es una excepción debido al fuerte enlace de hidrógeno presente en su estado líquido. Estas fuerzas son más fuertes que las del estado sólido. Por eso la capacidad calorífica específica del agua > hielo > vapor.

Answer 2

Un aumento de la temperatura significa que la energía cinética media de las moléculas ha aumentado.

Al añadir calor al hielo, aumenta la energía cinética vibratoria media de las moléculas de agua (la temperatura aumenta).
El estado líquido del agua es más complejo en el sentido de que parte de la estructura ordenada de menor densidad del hielo sigue existiendo en la fase líquida, lo que explica el comportamiento anómalo del agua que da lugar a una densidad máxima en torno a $4^\circ \rm C$ .
Aplicar calor al agua tiene, pues, dos efectos. Por un lado, aumenta la energía cinética de las moléculas (la temperatura aumenta) y, por otro, frena los enlaces que se encuentran en la estructura ordenada de menor densidad.

Una vez en la fase de vapor, con pocos enlaces entre las moléculas de agua, el calor suministrado aumenta la energía cinética de traslación de las moléculas de agua (la temperatura aumenta). Nótese que para un vapor que se expande mucho más que un líquido para un aumento de temperatura dado, la capacidad calorífica específica será diferente si el vapor está a presión constante que si está a volumen constante.
En tablas en Engineering Toolbox ilustrar la dependencia de la capacidad calorífica específica de factores externos.