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, ésta se mide en varias escalas. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial.¹​²​ Se le representa con la letra ${\displaystyle c\,\!}$ (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que se debe suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra ${\displaystyle C\,\!}$ (mayúscula).

Por lo tanto, la capacidad calorífica específica es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es ${\displaystyle c=C/m\,\!}$ donde ${\displaystyle m\,\!}$ es la masa de la sustancia

Unidades de calor[editar]

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J).

La caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas. La caloría se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C y a la presión de una atmósfera (1 atm), la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C.⁸​ Es decir, tiene una definición basada en el calor específico. Hay que hacer notar que la caloría no está reconocida en el Sistema Internacional, de modo que en muchos países no se reconoce su uso en documentos oficiales,⁹​ por lo que no es aconsejable su uso.

Unidades de calor específico[editar]

En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en joules 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). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·°C) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal·g⁻¹·°C⁻¹ en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).

En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón de Unidades, en aplicaciones no científicas, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).

La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.¹⁰​

Factores que afectan el calor específico[editar]

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específico.

Grados de libertad[editar]

El comportamiento termodinámico de las moléculas de los gases monoatómicos, como el helio y de los gases diatómicos, como el hidrógeno es muy diferente. 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. (vea la animación aquí). Estos movimientos simples en los ejes dimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatómicos solo tienen tres grados de libertad traslacionales.

Las moléculas con mayor cantidad de átomos, en cambio tienen varios grados de libertad internos adicionales, rotacionales y vibracionales, ya que son objetos complejos. Se comportan como una población de átomos que pueden moverse dentro de una molécula de distintas formas (ver la animación a la derecha). La energía interna se almacena en estos movimientos internos. Por ejemplo, el Nitrógeno, que es una molécula diatómica, tiene cinco grados de libertad disponibles: los tres traslacionales más dos rotacionales de libertad interna. Cabe destacar que la capacidad calorífica molar a volumen constante de los gases monoatómicos es ${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {3}{2}}\end{matrix}}R}$, siendo R la Constante Universal de los gases ideales, mientras que para el Nitrógeno (biatómico) vale ${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {5}{2}}\end{matrix}}R}$, lo cual muestra claramente la relación entre los grados de libertad y el calor específico.