¿Qué es el calor específico?

El calor específico es una medida utilizada en termodinámica y calorimetría que establece la cantidad de energía térmica necesaria para aumentar la temperatura de una determinada masa de una sustancia en particular en alguna cantidad. Si bien a veces se usan diferentes escalas de medición, este término generalmente se refiere específicamente a la cantidad requerida para elevar 1 gramo de alguna sustancia en 1.8 ° F (1 ° Celsius). De ello se deduce que si se agrega el doble de energía a una sustancia, su temperatura debería aumentar al doble. El calor específico generalmente se expresa en julios, la unidad que se usa típicamente en química y física para describir la energía. Es un factor importante en la ciencia, la ingeniería y la comprensión del clima de la Tierra.

Calor y temperatura

La energía térmica y la temperatura son dos conceptos diferentes y es importante comprender la diferencia. La primera es una cantidad en termodinámica que describe la cantidad de cambio que un sistema puede causar en su entorno. La transferencia de esta energía a un objeto hace que sus moléculas se muevan más rápidamente; este aumento de energía cinética es lo que se mide, o se experimenta, como un aumento de temperatura.

Calor específico y capacidad calorífica

Estas dos propiedades se confunden a menudo. El primero es el número de julios necesarios para aumentar la temperatura de una masa determinada de una sustancia en alguna unidad. Siempre se da «por unidad de masa», por ejemplo, 0.45 j / g ° C, que es el calor específico del hierro, o el número de julios de energía térmica para elevar la temperatura de un gramo de hierro en un grado Celsius. Por tanto, este valor es independiente de la cantidad de hierro.

La capacidad calorífica, a veces llamada «masa térmica», es el número de julios necesarios para elevar la temperatura de una masa particular de material en 1.8 ° F (1 ° Celsius), y es simplemente el calor específico del material multiplicado por su masa. Se mide en julios por ° C. La capacidad calorífica de un objeto hecho de hierro y con un peso de 100 g sería de 0.45 X 100, dando 45j / ° C. Esta propiedad puede considerarse como la capacidad de un objeto para almacenar calor.

El calor específico de una sustancia se mantiene más o menos cierto en un amplio rango de temperaturas, es decir, la energía requerida para producir un aumento de un grado en una sustancia dada varía solo ligeramente con su valor inicial. Sin embargo, no se aplica cuando la sustancia sufre un cambio de estado. Por ejemplo, si se aplica continuamente calor a una cantidad de agua, se producirá un aumento de temperatura de acuerdo con el calor específico del agua. Sin embargo, cuando se alcanza el punto de ebullición, no habrá más aumento; en cambio, la energía se destinará a producir vapor de agua. Lo mismo se aplica a los sólidos cuando se alcanza el punto de fusión.

Una medida de energía ahora obsoleta, la caloría, se basa en el calor específico del agua. Una caloría es la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1.8 ° F (1 ° C) a presión de aire normal. Equivale a 4.184 julios. Se pueden dar valores ligeramente diferentes para el calor específico del agua, ya que varía un poco con la temperatura y la presión.
Efectos
Diferentes sustancias pueden tener calores específicos muy diferentes. Los metales, por ejemplo, tienden a tener valores muy bajos. Esto significa que se calientan rápidamente y se enfrían rápidamente; también tienden a expandirse significativamente a medida que se calientan. Esto tiene implicaciones para la ingeniería y el diseño: a menudo hay que tener en cuenta la expansión de piezas metálicas en estructuras y maquinaria.

El agua, por el contrario, tiene un calor específico muy alto: nueve veces el del hierro y 32 veces el del oro. Debido a la estructura molecular del agua, se necesita una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura incluso en una pequeña cantidad. También significa que el agua tibia tarda mucho en enfriarse.
Esta propiedad es esencial para la vida en la Tierra, ya que el agua tiene un efecto estabilizador significativo en el clima global. Durante el invierno, los océanos se enfrían lentamente y liberan una cantidad significativa de calor al medio ambiente, lo que ayuda a mantener la temperatura global razonablemente estable. Por el contrario, en verano, se necesita una gran cantidad de calor para aumentar significativamente la temperatura del océano. Esto tiene un efecto moderador sobre el clima. Los interiores continentales, lejos del océano, experimentan temperaturas extremas mucho mayores que las regiones costeras.