l calor específico 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 (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico

depende de dicha temperatura inicial.1 2 Se le representa con la letra  (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que

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   (mayúscula).

Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto

es   donde   es la masa de la sustancia.1

Índice

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1 Introducción

o 1.1 Ecuaciones básicas

o 1.2 Cantidad de sustancia

o 1.3 Conceptos relacionados

2 Unidades

o 2.1 Unidades de calor

o 2.2 Unidades de calor específico

3 Factores que afectan el calor específico

o 3.1 Grados de libertad

o 3.2 Masa molar

o 3.3 Enlaces puente de hidrógeno

o 3.4 Impurezas

4 Tabla de capacidades caloríficas

5 Materiales de construcción

6 Véase también

7 Referencias

8 Bibliografía

9 Enlaces externos

Introducción[editar · editar código]

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada

materia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensivarepresentativa de cada

cuerpo o sistema particular.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. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la

temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.nota 1

El término "calor específico" tiene su origen en el trabajo del físico Joseph Black, quien realizó

variadas medidas calorimétricas y usó la frase “capacidad para el calor”.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 sertransferencia de energía

calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.5

Ecuaciones básicas[editar · editar código]

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas   se

define en la forma:

donde   es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u otro

sistema,   es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar)

y   es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico ( )

correspondiente a una temperatura dada   se define como:

El calor específico ( ) es una función de la temperatura del sistema; esto es,  . Esta función

es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los

gasesmonoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de

vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura.

Conocida la función  , la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del

sistema desde la temperatura inicial   a la final   se calcula mediante la integral siguiente:

En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior

puede escribirse simplemente como:

Cantidad de sustancia[editar · editar código]

Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a menudo

de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en química, sin

embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor

específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia.6 Cuando la unidad

de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar para

referirse de manera explícita a la medida; o bien usar el término calor específico másico, para

indicar que se usa una unidad de masa.

Conceptos relacionados[editar · editar código]

Hay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor específico y éstas se

denotan con sufijos en la letra  . El calor específico de los gases normalmente se mide bajo

condiciones de presión constante (Símbolo:  ). Las mediciones a presión constante producen

valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante ( ), 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   (gamma).7 Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por

ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.

El calor específico de las sustancias distintas de los gases monoatómicos no está dado por

constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura.nota 2 Por lo tanto, debe

especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición. Así, por ejemplo, el calor

específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·K) para la temperatura de 34,5 °C,

en tanto que vale 1,00738 cal/(g·K) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del agua varía

menos del 1% respecto de su valor de 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.

Unidades[editar · editar código]

Unidades de calor[editar · editar código]

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.

Unidades de calor específico[editar · editar código]

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 kelvin (cal·g-

1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de

temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal·g-1·K-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 enBTU (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.9

Factores que afectan el calor específico[editar · editar código]

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 · editar código]

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

sólo tienen tres grados de libertad traslacionales.

Las moléculas con mayor atomicidad, en cambio tienen varios grados de libertad internos,

rotacionales y vibracionales, adicionales 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  , siendo R la Constante

Universal de los gases ideales, mientras que para el Nitrógeno (biatómico) vale  , lo cual

muestra claramente la relación entre los grados de libertad y el calor específico.

Masa molar[editar · editar código]

Artículo principal: Masa molar.

Una de las razones por las que el calor específico adopta diferentes valores para diferentes

sustancias es la diferencia en masas molares, que es la masa de un mol de cualquier elemento, la

cual es directamente proporcional a la masa molecular del elemento, suma de los valores de

las masas atómicas de la molécula en cuestión. La energía calorífica se almacena gracias a la

existencia de átomos o moléculas vibrando. Si una sustancia tiene una masa molar más ligera,

entonces cada gramo de ella tiene más átomos o moléculas disponibles para almacenar energía.

Es esta la razón por la que elhidrógeno, 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). Grandes lingotes de sólidos

de baja densidad tienden a absorber más calor que un lingote pequeño de un sólido de la misma

masa pero de mayor densidad ya que el primero por lo general contiene más átomos. En

consecuencia, en términos generales, hay una correlación cercana entre el volumen de un

elemento sólido y su capacidad calorífica total. Sin embargo, hay muchas desviaciones de esta

correlación general.

Enlaces puente de hidrógeno[editar · editar código]

Artículo principal: Enlace por puente de hidrógeno.

Las moléculas que contienen enlaces polares de hidrógeno tienen la capacidad de

almacenar energía calorífica en éstos enlaces, conocidos como puentes de hidrógeno.

Impurezas[editar · editar código]

En el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones en las cuales pequeñas impurezas pueden

alterar en gran medida el calor específico medido. Las aleaciones pueden mostrar una marcada

diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestión es uno de los elementos que

forman la aleación; por ejemplo, las impurezas en

aleaciones semiconductoras ferromagnéticas pueden llevar a mediciones muy diferentes, tal como

predijeron por primera vez White y Hogan.10

Tabla de capacidades caloríficas[editar · editar código]

Sustancia Fase

cp(másico)

kJ·kg−1·°C−1

cp(molar)

J·mol−1·K−1

cv(molar)

J·mol−1·K−1

Capacidadcalorífica

volumétricaJ cm-3 K-1

Gas monoatómico (Ideal)

gas R = 20,8 R = 12,5

Sustancia Fase

cp(másico)

kJ·kg−1·°C−1

cp(molar)

J·mol−1·K−1

cv(molar)

J·mol−1·K−1

Capacidadcalorífica

volumétricaJ cm-3 K-1

Helio gas 5,1932 20,8 12,5

Argón gas 0,5203 20,8 12,5

Gas diatómico (Ideal) gas R = 29.1 R = 20.8

Hidrógeno gas 14,30 28,82 20.4

Nitrógeno gas 1,040 29,12 20,8

Oxígeno gas 0,918 29,4 21,1

Aire (en condicionestípicas de habitaciónnota

3 )gas 1,012 29,19

Aluminio sólido 0,897 24,2 2,422

Amoníaco líquido 4,700 80,08 3,263

Antimonio sólido 0,207 25,2 1,386

Arsénico sólido 0,328 24,6 1,878

Berilio sólido 1,82 16,4 3,367

Carbono (diamante) sólido 0,519

Sustancia Fase

cp(másico)

kJ·kg−1·°C−1

cp(molar)

J·mol−1·K−1

cv(molar)

J·mol−1·K−1

Capacidadcalorífica

volumétricaJ cm-3 K-1

Carbono (grafito) sólido 0,711

Cobre sólido 0,385 24,47 3,45

Diamante sólido 0,5091 6,115 1,782

Etanol líquido 2,44 112 1,925

Gasolina líquido 2,22 228

Oro sólido 0,1291 25,42 2,492

Plata sólido 0,237 25,56

Grafito sólido 0,710 8,53 1,534

Hierro sólido 0,450 25,1 3,537

Níquel sólido 0,444

Plomo sólido 0,129 26,4 1,44

Wolframio sólido 0,133

Titanio sólido 0,523

Sustancia Fase

cp(másico)

kJ·kg−1·°C−1

cp(molar)

J·mol−1·K−1

cv(molar)

J·mol−1·K−1

Capacidadcalorífica

volumétricaJ cm-3 K-1

Litio sólido 3,58 24,8 1,912

Magnesio sólido 1,02 24,9 1,773

Mercurio líquido 0,1395 27,98 1,888

Neón gas 1,0301 20,7862 12,4717

cera de parafina sólido 2,5 900 2,325

Sílice (fundido) sólido 0,703 42,2 1,547

Uranio sólido 0,116 27,7 2,216

Agua gas (100 °C) 2,080 37,47 28,03

Agualíquido (25 °C)

4,1813 75,327 74,53 4,184

Agua sólido (0 °C) 2,114 38,09 1,938

Alúmina Al2O3 sólido 0,160

MgO sólido 0,457

SiC sólido 0,344

Sustancia Fase

cp(másico)

kJ·kg−1·°C−1

cp(molar)

J·mol−1·K−1

cv(molar)

J·mol−1·K−1

Capacidadcalorífica

volumétricaJ cm-3 K-1

Nylon 66 sólido 1,20-2,09

Fenólicos sólido 1,40-1,67

Polietileno (AD) sólido 1,92-2,30

Polipropileno sólido 1,880

Politetrafluoretileno sólido 1,050

Todas las medidas son a 25 °C a menos que se indique lo contrario,Los mínimos y máximos notables se muestran en negrita.

1. ↑  Divida el calor específico másico del Magnesio entre 8 y comprobará que es muy cercano a ocho

veces el del Plomo. El calor específico del agua es igual a 0,99795 cal/(g·K.

2. ↑  Puede notar que el calor específico (molar) de los gases monoatómicos se comporta de acuerdo a

ciertas constantes, mientras que los valores predichos para otros gases no se ajustan con la misma

precisión.

3. ↑  Suponiendo una altitud de 194 metros (el promedio de la población mundial), una temperatura de

23 °C, un 40,85% de humedad y 760 mmHg de presión.

Materiales de construcción[editar · editar código]

Estos datos son de utilidad al calcular los efectos del calor sobre los materiales que formen un

edificio:

Sustancia Estado de agregacióncp

J g−1 K−1

Asfalto sólido 0,92

Ladrillo sólido 0,84

Hormigón sólido 0,88

Vidrio, sílice sólido 0,84

Vidrio, crown sólido 0,67

Vidrio, flint sólido 0,503

Vidrio, pyrex sólido 0,876

Granito sólido 0,790

Yeso sólido 1,09

Mármol, mica sólido 0,880

Arena sólido 0,835

Suelo sólido 0,80

Madera sólido 0,49

Se define como calor específico la cantidad de calor necesaria para hacer variar en un grado la temperatura de la unidad de

masa de un cuerpo.

El calor específico se expresa en cal/°C go en kcal/°C kg. Cada cuerpo posee su calor específico característico; por

ejemplo, el calor específico del agua es 1 kcal/°C kg.

Más compleja es la definición del calor específico de los cuerpos gaseosos; ya que hay que distinguir entre el calor

específico a volumen constante, cv, y calor específico a presión constante, cp.

e denomina calor específico a la capacidad calorífica correspondiente a la unidad de masa del sistema.

Así, denominamos m a la masa del sistema, cuya capacidad calorífica media es

Donde c es el calor específico medio, para el intervalo de temperatura ΔT. El calor específico es una propiedad intensiva, o sea independiente de la masa del sistema. Como su valor depende le la temperatura, lo mismo que la capacidad calorífica, para definirlo a una cierta temperatura debemos disminuir todo lo posible el intervalo ΔT haciendo tender las temperaturas al valor adoptado; o sea

Donde c es el calor específico verdadero a una temperatura T.

Unidades

Cuando la masa se expresa en gr, el calor específico correspondiente a la capacidad calorífica de 1 gr del sistema, siendo sus unidades: cal. gr –1 . grado–1; pudiendo expresarse también, evidentemente: kcal. Kgr–1. grado–1.

Cuando la masa se expresa en moles, es decir, en el número de pesos moleculares gr del sistema, el calor específico corresponde a la capacidad calorífica de 1 mol, de sistema y se lo denomina: “capacidad calorífica molar”, “calor molar” o directamente “calor específico molar”.

Sus unidades serán: cal. mol–1 . grado–1

Cuando la masa se expresa en átomos-gramo, la capacidad calorífica de 1 átomo-gramo se denomina “calor atómico” y se expresa en cal . at . gr–1 . grado–1.

Calor específico del agua

Como ya dijimos, el calor específico del agua varía con la temperatura.

En la figura se ha representado la variación del calor específico del agua entre las temperaturas de 0 y 100 ºC, manteniendo la presión constante de 1 atmósfera.

Se puede observar que el valor es 1 en las proximidades de 15 ºC, debido a las forma escogida para definir la unidad de calor.

El calor específico es la cantidad de energía requerida para aumentar un grado la temperatura de una sustancia pura. El calor específico de una sustancia depende a la vez de su estructura molecular y su fase. El descubrimiento del calor específico dio inicio al estudio de la termodinámica, la cual se encarga de estudiar la conversión de calor a energía en un sistema. El calor específico y la termodinámica son ampliamente utilizadas en química, ingeniería nuclear y aerodinámica, al igual que en los radiadores y sistemas de aire acondicionado de los autos. Si quieres saber cómo calcular el calor específico simplemente sigue los siguientes pasos.