Significado de calor específico Definición, ecuaciones, fórmulas y condiciones de medición
Licenciada en Física
Definición formal
El calor específico aplicado sobre un cuerpo, en base a las unidades del Sistema Internacional, es la cantidad de energía térmica en joules (J) que es preciso transferirle para que cada kilogramo (kg) eleve su temperatura en 1 kelvin (K).
La experiencia cotidiana enseña que las distintas sustancias absorben el calor de manera diferente, es sabido que algunas tardan más en calentarse que otras, y al enfriarse ocurre algo parecido: unas ceden el calor más rápido al entorno y otras lo hacen más lentamente.
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Por ejemplo, en las regiones costeras, el calor del Sol calienta la tierra a mayor velocidad que al agua. A su vez, las masas de aire sobre tierra firme se calientan más que aquellas que se encuentran sobre el océano. Se crea así una diferencia de temperatura entre las masas de aire, que da como resultado una brisa soplando desde el mar hacia la costa durante el día.
La razón es que cada material: agua, tierra, metales… tiene una propiedad en su constitución que le hace absorber o liberar el calor de manera diferente. Dicha propiedad es la capacidad calorífica o capacidad térmica de la sustancia. En el caso del agua, esta tiene una capacidad térmica mayor que la tierra, lo que indica que una cierta porción de agua requiere más calor que otra idéntica de tierra, si estando a la misma temperatura, se las quiere calentar por igual. Esto causa que el clima en las regiones cercanas al mar y los grandes lagos sea más moderado que el de las regiones que están tierra adentro. Cerca del mar, las noches son más cálidas y los días más frescos, y se debe a que es más fácil cambiar la temperatura de la tierra que la del agua.
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Entonces, conociendo la capacidad calorífica del material con que está hecho un cuerpo, y conociendo la masa (o también la cantidad de moles), es posible calcular cuánto calor se requiere para variar su temperatura en determinada cantidad, ya que como se verá en breve, el calor necesario es proporcional a dicha variación.
Ecuaciones y fórmulas de referencia
Cuando se desea calentar una porción de material, de masa m, lógicamente hay que agregarle una determinada cantidad de calor Q, cuyo valor depende de la temperatura inicial a la que se encuentra y la temperatura final deseada. En otras palabras, el calor depende de la diferencia de temperaturas.
Para denotar la diferencia entre la temperatura final Tf y la temperatura inicial To, se emplea la letra griega Δ. Así:
ΔT = Tf – To
Experimentalmente, el calor Q es proporcional a la diferencia de temperatura, así que se puede escribir:
Hace falta la constante de proporcionalidad necesaria para establecer la igualdad y esta es la capacidad calorífica de la sustancia, denotada como C, por lo tanto:
Q = C ∙ ΔT
Todos los materiales tienen una capacidad calorífica propia, lo cual no significa que necesariamente tengan calor almacenado, sino que expresa cuánto calor se requiere para variar su temperatura en una determinada cantidad.
A partir de la relación anterior, la capacidad calorífica media escribe como:
Y su unidad en el Sistema Internacional es el joule/kelvin, abreviadamente J/K.
Ahora bien, la capacidad calorífica es una propiedad de la sustancia, cualquiera que sea su cantidad, pero al especificar que el cuerpo tenga una cierta masa m, se define el calor específico c como la capacidad calorífica por unidad de masa, por lo tanto:
Sustituyendo la expresión de C, queda:
Cuyas unidades en el Sistema Internacional SI son J/(K∙kg). Entonces, el calor específico de un cuerpo es la capacidad calórica por unidad de masa.
En términos del calor específico c, el calor Q necesario para que el cuerpo de masa m experimente una variación de temperatura ΔT es:
Q = c∙mΔT
El calor específico es una propiedad que se determina experimentalmente para cualquier sustancia y su valor aparece en tablas.
Otra unidad para el calor específico, frecuente en la literatura, es la que hace uso de la caloría para medir energía, los grados Celsius para la temperatura y los gramos para la masa, quedando: caloría/(ºC∙g).
También aparecen en la práctica unidades como: caloría/(K∙g) y J/(ºC∙kg). Igualmente se puede expresar usando moles en vez de gramos, por lo que las unidades aparecerían como J/(ºC∙mol) y otras combinaciones de unidades.
A la hora de resolver problemas numéricos, es aconsejable verificar las unidades que aparecen en el encabezado de la tabla que se está consultando, antes de sustituir los números en la ecuación, a fin de mantener la homogeneidad en las unidades.
Condiciones de medición
La capacidad calórica y el calor específico se miden experimentalmente bajo ciertas condiciones. Casi siempre se hace manteniendo la presión constante y la mayoría de las tablas lo indican así en el encabezado o el pie, donde también aparece la temperatura. Otra forma de hacerlo es a volumen constante, pero los resultados obtenidos difieren un poco, siendo por lo general mayores cuando se mantiene la presión constante.
Como ejemplo, planteamos un ejercicio práctico: ¿Cuánto calor en joules hace falta para calentar 2 L de agua desde 20.0ºC hasta 95.0ºC? Se sabe que el calor específico del agua es 4.19 kJ/(kg K) y su densidad es 1000 kg/m3.
Respuesta
Convirtiendo 2 L a metros cúbicos m3:
2L = 0.002 m3
Este volumen de agua tiene una masa de:
m = 1000 kg/m3 ∙ 0.002 m3 = 2 kg
Se va a aplicar la ecuación:
Q = c∙mΔT
Por lo que se requiere la diferencia de temperatura ΔT = (95.0 – 20.0) ºC = 75 ºC = 75 K, además kJ significa 1000 J. Es necesario comprobar todo esto para asegurarse de que las unidades en la fórmula son homogéneas:
Q = (4.19 x 1000) J/(kg K)∙ 2 kg ∙ 75 K = 628500 J.
Trabajo publicado en: Oct., 2020.