Definición de Calor Específico
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
El calor específico (c), se define como la cantidad de energía requerida conforme el aumento de la temperatura de una unidad de masa de sustancia en una unidad de temperatura. Asimismo, se le conoce como capacidad térmica o capacidad calorífica específica
Es una magnitud física que depende del estado de la materia, ya que el calor específico de una sustancia en estado líquido, no es el igual al de la misma sustancia en estado gaseoso. Asimismo, las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentre el material influyen en su calor específico. Básicamente, es una propiedad intensiva de la materia que hace referencia a la capacidad térmica de una sustancia, ya que proporciona un valor de la sensibilidad térmica de un material a la adición de energía.
¿Sabías que…? El término calor específico surgió en la época cuando las ramas de la Física mecánica y la Termodinámica evolucionaban de manera casi independiente; sin embargo, en la actualidad, un término más apropiado para el calor específico, sería transferencia específica de energía.
Si se vierte café caliente a la misma temperatura en dos vasos: uno de unicel (anime) y otro de aluminio y se toma con las manos ambos vasos, se percibirá que el vaso de aluminio se siente más caliente que el de unicel, lo que implica que se requiere agregar más calor al vaso de unicel para que su temperatura se incremente como la del vaso de aluminio.
Fórmula de calor específico
Si se denomina Q a la cantidad de energía que se intercambia entre una sustancia de masa m y sus alrededores, originando una variación de temperatura ΔT (Tf – Ti), se tiene:
\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)
Siendo c el calor específico.
De esta expresión se puede deducir que las unidades de calor específicos serán:
• En el Sistema Internacional, el calor específico c = (J/kg.K)
• En sistema inglés, c = (BTU/lb-m.ºF)
• En otros sistemas, es común también expresar c = (Cal/g.ºC)
Por otra parte, también se puede observar que cuanto mayor es el calor específico de una sustancia, menor es su variación de temperatura para una determinada cantidad de energía suministrada. Por esta razón, si se desea un material que se caliente con facilidad, se debe optar por uno que posea un bajo calor específico.
Nota: es importante aclarar que el calor específico hace referencia a la cantidad de energía para incrementar la temperatura, siendo el calor una forma particular de transferencia de energía, pero no la única. Por ejemplo, se puede incrementar la temperatura de una sustancia ejerciéndole trabajo mecánico.
Ejemplos del calor específico en materiales
Bajo condiciones controladas de laboratorio, se ha logrado determinar el calor específico de una extensa variedad de sustancias, lo cual permite realizar comparaciones y seleccionar los materiales de acuerdo con la aplicación particular. La siguiente tabla, es una muestra de los calores específicos para algunos materiales (a presión atmosférica y 25 ºC):
Sustancia c (J/kg. K) c (Cal/g. ºC)
Agua(15 ºC) 4186 1
Alcohol etílico 2438 0.582
Arena 780 0.186
Cobre 385 0.091
Hielo (-10 ºC) 2220 0.530
Oxígeno 918 0.219
Peróxido de hidrógeno (H2O2) 2619 0.625
Vidrio 792 0.189
Aluminio 897 0.214
Madera 170 0.406
Aceite de oliva 1675 0.400
Ladrillo refractario 879 0.210
Nota: como se observa, el agua es una de las sustancias con mayor calor específico, lo cual reafirma la importancia de este líquido para la regulación de la temperatura de nuestro planeta.
Ejemplo 1: ¿Cuánta energía se debe transferir a una masa de agua de 2 kg para incrementar su temperatura de 15 ºC a 90 ºC?
Solución: De la tabla anterior se puede obtener que el calor específico del agua pura es de 1 Cal/g.ºC, de manera que a partir de este valor y los datos suministrados, se puede despejar la energía Q:
La cantidad de calor resulta:
Q = c ∙ m ∙ ∆T
Esto implica que se requiere aplicar 150000 calorías para elevar la temperatura de 2 kg de agua (2000 g) desde 15 ºC a 90 ºC.
Ejemplo 2: ¿Cuál será la temperatura final de una barra de 1 kg aluminio que se calienta en un mechero de Bunsen desde una temperatura de 25 ºC aplicándole 4000 joules de energía?
Solución: De la tabla de calores específicos se puede tomar el valor de esta variable para el aluminio, donde c = 897 J/kg. K
En el caso de la temperatura, los 25 ºC se transforman en escala absoluta de Kelvin sumándole 273.15 unidades, de manera que la temperatura inicial de la barra es de 298.15 K.
Despejando la temperatura final de la expresión del calor específico se tiene:
\({T_f} = \frac{Q}{{c \cdot m}} + {T_i} = \frac{{4000\;J}}{{\left( {897\;J/kg \cdot K} \right)\left( {1\;kg} \right)}} + 298.15\;K = 302.61\;K\)
La temperatura final de la barra de aluminio será de 302.61 K o 29.46 ºC.
Nota: el conocimiento e interpretación del calor específico de las sustancias resulta de gran utilidad cuando se desea seleccionar el material más adecuado para un determinado uso. Por ejemplo, en la mecánica automotriz, muchos de los componentes que conforman los mecanismos del vehículo, estarán sometidos a altas temperaturas por lo que es deseable que al calentarse, el material no se fatigue con facilidad.
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Trabajo publicado en: Ago., 2022.
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