Cuando se transfiere energía en forma de calor a
un cuerpo, su temperatura aumenta como consecuencia del incremento de la
energía cinética media de sus partículas. Como en cualquier disciplina
científica, es necesario poder cuantificar esta transferencia para realizar
cálculos y predicciones en aquellas circunstancias en las que interviene el
calor.
Dado que, como se ha visto, el calor es una
forma de energía, su unidad en el sistema internacional será el julio o joule (J),
aunque existe otra unidad de uso habitual en la medida del calor: la caloría.
El calor
se mide en el S.I. en julios o joules (J), pero también en calorías (cal). Una caloría
se define como la energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un
gramo de agua. La relación entre julio y caloría es: 1 cal = 4.18 J
En la gráfica de la imagen se observa que el alcohol aumenta significativamente más rápido su temperatura, hasta que alcanza su temperatura de ebullición (78 ºC), momento en el que cesa de aumentar. Lo mismo sucede con el agua, que se calienta más lentamente y tiene un punto de ebullición más alto (100ºC).
Por lo tanto, es necesario introducir una nueva
magnitud que exprese el diferente comportamiento de las sustancias al ser
calentadas.
Si se transfiere una misma cantidad de calor a dos
sistemas distintos, el aumento de temperatura experimentado por cada uno de
ellos no es siempre el mismo, sino que depende de su naturaleza y composición.
El parámetro que relaciona el incremento de la temperatura con el calor
suministrado se denomina calor específico (ce) de una sustancia, definido como
la energía absorbida al calentarse un kilogramo de una sustancia y elevar su
temperatura un Kelvin o un grado centígrado. Es característico de cada
sustancia y se mide en el S.I. en J/(kg·K).
El aumento de temperatura
viene dado por tanto por el cociente: 
de modo que el calor
intercambiado puede escribirse como:
La energía transferida a un cuerpo de masa m para que
su temperatura pase de una inicial (Ti) a otra final (Tf) viene dada por la
expresión:
donde ce
es el calor específico de la sustancia en cuestión.
Destacar
también que, debido a que aparece una diferencia de temperaturas, es
equivalente utilizar la escala Kelvin o la Celsius, pues ambos
grados son equivalentes.
Esta relación explica por
qué es necesario suministrar más calor a unas sustancias que a otras para
aumentar su temperatura: cuanto mayor sea su calor específico, más energía será
necesario suministrar. Por ejemplo, los metales tienen un calor específico
relativamente bajo, mientras que la madera o el agua lo tienen elevado.
Ejercicio resuelto:
Una cacerola contiene medio litro de agua a 25
ºC. Si el calor específico del agua es de 4180 J/(kg·K), calcula la cantidad de
energía necesaria para llevar todo el agua a la temperatura de ebullición (100
ºC).
Si hay medio litro de agua, como la densidad del
agua es dH2O = 1000 kg/m3 = 1 kg/L, esto quiere decir que tenemos 0.5 kg de
agua, y aplicando la ecuación para el calor transferido:
Q = m·ce·ΔT = 0.5 Kg·4180J/(Kg.K)·(373 K – 298 K)
= 156750 J
Problema:
Cuando suministramos 67500 J en forma de calor a un
bloque de acero, observamos que su temperatura aumenta 75 ºC. Si el calor
específico del acero es de 450 J/(kg·K), ¿cuál es la masa del bloque?
