Calor específico
La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica específica es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad; esta se mide en varias escalas.
Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es
[3] (Ver tabla en: Calor específico y capacidad calorífica de algunos materiales.)
Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura.
[4] En esa época la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.
Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos).
En un intervalo donde el calor específico sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansión.
El cociente entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinámico se denomina coeficiente adiabático y se designa mediante la letra griega
[7] Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.
[nota 2] Por lo tanto, debe especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición.
Por consiguiente, el calor específico del agua varía menos del 1 % respecto de su valor de 4.184 J/(g·K) [1 cal/(g·K)] a 15 °C, por lo que a menudo se le considera como constante.
La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y líquidos.
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el julio o joule (J).
A veces, la caloría (cal) todavía se usa en las aplicaciones científicas y tecnológicas.
[10] Es decir, tiene la misma definición que la caloría utilizando unidades del sistema anglosajón.
En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg−1·K−1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por grado centígrado (cal·g−1·°C−1).
En los gases monoatómicos, la energía interna corresponde únicamente a movimientos de traslación.
Los movimientos traslacionales son movimientos de cuerpo completo en un espacio tridimensional en el que las partículas se mueven e intercambian energía en colisiones en forma similar a como lo harían pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitaran con fuerza.
) implican que los gases monoatómicos solo tienen tres grados de libertad traslacionales.
Cabe destacar que la capacidad calorífica molar a volumen constante de los gases monoatómicos es
, siendo R la constante universal de los gases ideales, mientras que para el nitrógeno diatómico vale
, lo cual muestra claramente la relación entre los grados de libertad y el calor específico.
La energía calorífica se almacena gracias a la existencia de átomos o moléculas vibrando.
Es esta la razón por la que el hidrógeno, la sustancia con la menor masa molar, tiene un calor específico tan elevado; porque un gramo de esta sustancia contiene una cantidad muy grande de moléculas.
Una consecuencia de este fenómeno es que, cuando se mide el calor específico en términos molares la diferencia entre sustancias se hace menos acusada, y el calor específico del hidrógeno deja de ser atípico.
Del mismo modo, las sustancias moleculares (que también absorben calor en sus grados internos de libertad), pueden almacenar grandes cantidades de energía por mol si se trata de moléculas grandes y complejas, y en consecuencia su calor específico medido en términos másicos es menos notable.
Ya que la densidad media de un elemento químico está fuertemente relacionada con su masa molar, en términos generales existe una fuerte correlación inversa entre la densidad del sólido y su cp (calor específico a presión constante medido en términos másicos).
En consecuencia, en términos generales, hay una correlación cercana entre el volumen de un elemento sólido y su capacidad calorífica total.
[11] Estos datos son de utilidad al calcular los efectos del calor sobre los materiales que formen un edificio:
