Hablemos sobre el Calor Específico

¡Hola querida comunidad científica de Hive Blog! Es un placer saludarles nuevamente y estar compartiendo con ustedes un nuevo tema, el día de hoy hablaremos sobre el calor específico.

Cuando se suministra calor a un objeto, la energía interna del mismo se incrementa, originando tanto un incremento de temperatura, como un aumento de la energía potencial asociada con las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, es significativo el hecho que cantidades iguales de calor aplicadas a objetos de igual masa, pero de naturaleza distinta, originan diferentes cambios de temperatura. Esto tiene que ver con las distintas estructuras moleculares de la materia.

Supongamos que, manteniendo la llama por un mismo intervalo de tiempo se suministra 1 kcal de calor a masas de 1 kg de agua, hierro y aluminio. Bajo las mismas condiciones, la temperatura del agua se elevará en 1 ºC, la del hierro en 9 ºC y la del aluminio en 4,5 ºC. Es decir, cada uno de estos materiales responde de manera distinta, según su estructura molecular.

Consideremos ahora cantidades distintas de una misma sustancia; por ejemplo, agua. Si observamos la imagen que se presenta a continuación, si suministramos 1 kcal a 1 litro de agua, la temperatura sube 1 ºC, mientras que si se trata de 2 litros de agua, la temperatura sube 0,5 ºC. Esto indica que, a mayor masa, el incremento de temperatura es menor para la misma cantidad de calor.

Lo que podemos concluir es que el incremento de temperatura depende de la naturaleza de la sustancia, de la masa presente en el proceso y de la cantidad de calor suministrada. Esto lo podemos relacionar mediante la siguiente expresión:

Donde:

Es por ello que, la capacidad calórica especifica o, simplemente, calor especifico, es una propiedad característica de cada sustancia y está determinada por los enlaces moleculares de la misma.

Si de la expresión ya descrita, despejamos c podemos obtener que:

Si Q se expresa en Kcal, m en kg y ΔT en ºC, la unidad del calor especifico está dada en Kcal/kg-ºC. Si Q se expresa en joules, entonces el calor especifico viene dado por J / kg - ºC. En la imagen que se presenta posteriormente les presento el valor del calor específico para algunas sustancias.

De alguna manera, el calor específico puede ser concebido como una inercia térmica. Así, como la inercia mecánica se define como la resistencia de un objeto a cambiar su estado de movimiento, la inercia térmica es la resistencia de una sustancia a cambiar su temperatura.

Si visualizamos la tabla del calor específico para varias sustancias, podemos detallar que el agua es una sustancia de elevado calor específico. Lo que quiere decir, que tiene mayor capacidad que muchas de las sustancias comunes para absorber energía o para cederla. Se necesita una cantidad de agua relativamente pequeña para absorber una gran cantidad de calor, con un incremento pequeño de temperatura. Por esta razón, el agua se utiliza frecuentemente en el enfriamiento de motores y en otros procesos industriales. Una vez calentada, el agua tarda un tiempo relativamente largo en enfriarse, por lo que es utilizada para mantener la temperatura alta por periodos prolongados.

Ahora veamos un ejemplo práctico: Si se suministran 20.000 cal a una lámina de hierro y a una de cobre, ambas de masa 2 kg. Si la temperatura inicial de las laminas es de 40 ºC, ¿Qué temperatura alcanzan?

Antes de comenzar veamos cuales son los datos que proporciona el enunciado.

Por la tabla general sabemos que los calores específicos para el hierro y el cobre son:

De acuerdo con la ecuación

Si despejamos ΔT nos queda que

Calculemos la temperatura final para el hierro, sabiendo que 20.000 cal = 20 kcal

Sabiendo que Tf es la temperatura final y Ti es la inicial, tendremos:

Por lo tanto

Para el cobre tenemos que:

Y por ultimo

En los resultados obtenidos podemos concluir que el cobre aumenta más su temperatura. Podemos afirmar, entonces, que su inercia térmica es menor con relación a la del hierro.

Cuando se mezclan o se ponen en contacto dos sustancias, se produce un intercambio de calor entre las mismas, hasta lograrse un equilibrio térmico. El cuerpo más caliente cede calor, mientras que el más frio lo absorbe, hasta que alcanzan la misma temperatura.

Figuera, J. (2009). Física, Texto y problemario. Caracas: Ediciones CO-BO.

Figueroa, D. (2008). Fluidos y Termodinámica. Caracas: Douglas Figueroa.

Serway, R & Jewett, J. (2005). Física para Ciencias e Ingenierías, Volumen II. México: International Thomson Editores, S.A

Nota: Algunos de los diagramas y ecuaciones presentados en esta publicación son diseñados y editados por mi persona utilizando elementos e imágenes del programa Microsoft Power Point.