Calor específico

Para que una sustancia aumente su temperatura, se necesita una cierta cantidad de energía en forma de calor. Esta cantidad de energía es lo que se conoce como calor específico, también conocida como la capacidad calorífica específica.

El calor específico es lo que explica que una cuchara de madera se caliente más lentamente que una cuchara de metal, y que usemos ciertos materiales para construir herramientas y utensilios según su uso.

De aquí que la definición en física de calor específico es la cantidad de energía que se tiene que transferir a una unidad de masa de sustancia para aumentar su temperatura en un grado. Usemos como ejemplo el agua: si se transfiere 4182 joules de energía a un kilogramo de agua a temperatura ambiente, su temperatura subirá un grado. Entonces, el calor específico del agua es 4182 joules por kilogramo grado.

Unidades del calor específico

El calor específico se puede expresar en diferentes unidades, que siempre deben reflejar las unidades de energía, de masa y de temperatura. En el sistema internacional la unidad es joule (energía) por kilogramo (masa) kelvin (temperatura) o J/kg.K. Por ejemplo, el calor específico del acero es 502 J/kg .K; esto significa que para que un kilogramo de acero aumente su temperatura en 1 kelvin necesita 502 joules de energía.

También podemos expresar el calor específico en calorías por gramo grados Celsius (cal/g.ºC). Siguiendo con el ejemplo del acero, el calor específico es 0,12 cal/g.ºC, es decir, para subir en un grado Celsius la temperatura de un gramo de acero se requiere 0,12 calorías.

Características del calor específico

El calor específico es una propiedad física intensiva, que no depende de la cantidad de las sustancia. Por otro lado, el calor específico puede variar a diferentes temperaturas, es decir, la cantidad de energía que se necesita transferir para subir la temperatura un grado Celsius no es la misma a temperatura ambiente que a 100ºC o a 0ºC.

El ejemplo mejor conocido es la dependencia de la temperatura del calor específico del agua, como veremos en la siguiente tabla:

Temperatura (ºC) J/kg.K Cal/g.ºC
0 4 218 1,007
10 4 192 1,001
20 4 182 0,998
30 4 178 0,997
40 4 178 0,997
50 4 181 0,998
60 4 184 0,999
70 4 189 1,000
80 4 196 1,002
90 4 205 1,004
100 4 216 1,007

¿Cómo se calcula el calor específico?

El calor específico, que se designa por la letra c minúscula, puede calcularse por la siguiente fórmula:

negrita c negrita igual fracción numerador negrita Q entre denominador negrita m negrita espacio negrita paréntesis izquierdo negrita T subíndice negrita f negrita menos negrita T subíndice negrita i negrita paréntesis derecho fin fracción negrita igual fracción numerador negrita Q entre denominador negrita m negrita espacio negrita incremento negrita T fin fracción

donde Q es la cantidad de energía transferida al cuerpo, m es la masa de la sustancia y ΔT es la diferencia entre la temperatura final e inicial.

Por ejemplo, un bloque de aluminio de 0,100 kg al que se le transfiere 897 J entre los 20ºC y los 30ºC tendrá un calor específico de:

estilo tamaño 16px negrita c negrita igual fracción numerador negrita Q entre denominador negrita m negrita espacio negrita paréntesis izquierdo negrita T subíndice negrita f negrita menos negrita T subíndice negrita i negrita paréntesis derecho fin fracción negrita igual fracción numerador negrita 897 negrita J entre denominador negrita paréntesis izquierdo negrita 0 negrita coma negrita 1 negrita k negrita g negrita paréntesis derecho negrita espacio negrita paréntesis izquierdo negrita 303 negrita K negrita menos negrita 293 negrita K negrita paréntesis derecho fin fracción negrita igual negrita 897 negrita espacio bold italic J negrita dividido por bold italic k bold italic g negrita. bold italic K fin estilo

Vea también Fórmulas de física.

Tabla de valores de calor específico de diferentes sustancias

Te presentamos el valor de calor específico de diferentes sustancias de importancia en la vida cotidiana, expresadas en las dos unidades más utilizadas J/kg.K y cal/g.ºC:

Sustancia J/kg.K Cal/g. ºC
Acero 502 0,12
Alcohol etílico (etanol) 2 438

0,582

Aluminio 897 0,214
Arena 780 0,186
Carbono (grafito) 709 0,169
Cobre 385 0,091
Estaño 227 0,054
Glicerol 2 377 0,567
Helio 5 193 1,240
Hidrógeno (H2) 14 304 3,416
Hielo (-10ºC) 2 220 0,530
Hierro 449 0,107
Magnesio 1 023 0,244
Níquel 444 0,106
Nitrógeno (N2 1 040 0,248
Oro 129 0,031
Oxígeno (O2) 918 0,219

Peróxido de hidrógeno (H2O2)

2 619 0,625
Plata 235 0,056
Platino 133 0,032
Plomo 130 0,031
Titanio 523 0,125
Vidrio 792 0,189
Zinc 388 0,093
Zirconio 278 0,066

Ejercicios de calor específico resueltos

1. Un recipiente con 2 litros de agua a 18ºC se coloca sobre una hornilla. ¿Cuánta energía se le tiene que aplicar para que suba su temperatura a 30ºC?

En primer lugar, calculamos la masa de 2 litros de agua a través de su densidad (1gr/ml). Entonces:

estilo tamaño 16px negrita m subíndice negrita H subíndice negrita 2 negrita O fin subíndice negrita igual negrita densidad negrita espacio negrita multiplicación en cruz negrita volumen negrita igual negrita espacio negrita 1 fracción negrita kg entre negrita l negrita multiplicación en cruz negrita 2 negrita l negrita igual negrita 2 negrita kg fin estilo

Segundo, para calcular la energía despejamos Q de la fórmula de calor específico y sustituimos los términos. Convertimos las temperaturas en kelvin (ºC +273) y usamos 4 182 J/kg.K como el calor específico del agua:

negrita Q negrita igual negrita c negrita multiplicación en cruz negrita m negrita multiplicación en cruz negrita paréntesis izquierdo negrita T subíndice negrita f negrita menos negrita T subíndice negrita i negrita paréntesis derecho negrita igual negrita 4 negrita espacio negrita 182 fracción numerador negrita J entre denominador negrita kg negrita. negrita K fin fracción negrita multiplicación en cruz negrita 2 negrita kg negrita multiplicación en cruz negrita paréntesis izquierdo negrita 303 negrita K negrita menos negrita 291 negrita K negrita paréntesis derecho negrita igual negrita 100 negrita espacio negrita 368 negrita espacio negrita J

Respuesta: Para llevar 2 kg de agua de 18ºC a 30º se necesita 100 368 joules de energía.

2. Se tienen dos recipientes A y B con la misma masa pero diferente material, uno está hecho de aluminio y el otro de acero. Ambos recipientes se colocan sobre una estufa por el mismo tiempo, pero el recipiente B alcanza una mayor temperatura que el recipiente A. ¿De qué está hecho el recipiente B?

Primero, investigamos el valor de calor específico del aluminio y del acero:

  • Aluminio: 897 J/kg.K.
  • Acero: 502 J/kg.K.

Nos damos cuenta que el calor específico del aluminio es mayor que el del acero. Esto significa que con la misma masa, el acero necesita menos energía que el aluminio para subir su temperatura en un grado.

Ambos recipientes recibieron la misma cantidad de energía porque estuvieron el mismo tiempo sobre la estufa. Sin embargo, el recipiente B se calentó más, por lo que podemos deducir que el recipiente B está hecho de acero, porque tiene el valor de calor específico menor.

3. En el gráfico siguiente se muestran los datos de energía transferida y variación de temperatura de dos muestras, A y B, de igual masa y diferente material:

calor especifico ejercicios

¿Cuál de los dos materiales, A o B, tiene un calor específico mayor?

La relación entre la energía recibida Q y la variación de la temperatura ΔT es:

bold italic Q negrita igual negrita m negrita. negrita c negrita. negrita incremento negrita T

En la gráfica Q vs ΔT, la pendiente de la recta es igual a m.c. Como las masas m son iguales, mientras mayor la pendiente, mayor el calor específico c. Entonces, la muestra A está hecha del material con mayor calor específico porque tiene la mayor pendiente.

Referencias

Lide, D.R. ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Internet version 2005, http://www.hbcpnetbase.com. CRC Press, Boca Ratón, Florida.

Sears, F., Zemansky, M., Young, H,D., Freedman, R.A. (2009) Física Universitaria volumen 1, 12a edición. Pearson Educación, México.