Capacidad calorífica: concepto, fórmulas, unidades, ejemplos
¿Qué es la capacidad calorífica?
La capacidad calorífica de un cuerpo o sistema es el cociente que resulta entre la energía calorífica transmitida a ese cuerpo y el cambio de temperatura que experimenta en ese proceso. Otra definición más precisa es que se refiere a cuánto calor es necesario transmitir a un cuerpo o sistema para que su temperatura aumente un grado kelvin.
Ocurre continuamente que los cuerpos más calientes ceden calor a los cuerpos más fríos en un proceso que se prolonga mientras exista una diferencia de temperatura entre los dos cuerpos en contacto. Entonces, el calor es la energía que se transmite de un sistema a otro por el simple hecho de que exista entre ambos una diferencia de temperatura.
Por convenio se define como calor (Q) positivo aquel que es absorbido por un sistema, y como calor negativo el que es cedido por un sistema.
De lo expuesto se deduce que no todos los objetos absorben y conservan el calor con la misma facilidad; así determinados materiales se calientan más fácilmente que otros.
Se debe tener en cuenta que, en última instancia, la capacidad calorífica de un cuerpo depende de la naturaleza y composición del mismo.
Fórmulas, unidades y medidas
La capacidad calorífica se puede determinar partiendo de la siguiente expresión:
C = dQ/dT
Si el cambio de temperatura es suficientemente pequeño, la expresión anterior se puede simplificar y sustituir por la siguiente:
C = Q/ΔT
Entonces, la unidad de medida de la capacidad calorífica en el sistema internacional es el Julio por kelvin (J/K).
La capacidad calorífica se puede medir a presión constante Cp o a volumen constante Cv.
Calor específico
A menudo la capacidad calorífica de un sistema depende de su cantidad de sustancia o de su masa. En ese caso, cuando un sistema está conformado por una única sustancia con características homogéneas se precisa el calor específico, también denominado capacidad calorífica específica (c).
Así, el calor específico másico es la cantidad de calor que se debe suministrar a la unidad de masa de una sustancia para que aumente su temperatura en un grado kelvin, y se puede determinar partiendo de la siguiente expresión:
c = Q/ m ΔT
En esta ecuación m es la masa de la sustancia. Por tanto, la unidad de medida del calor específico en este caso es el Julio por kilogramo por kelvin (J/kg K), o también el Julio por gramo por kelvin (J/g K).
De igual modo, el calor específico molar es la cantidad de calor que se debe suministrar a un mol de una sustancia para que aumente su temperatura en un grado kelvin. Y se puede determinar desde la siguiente expresión:
c = Q/ n ΔT
En dicha expresión n es el número moles de la sustancia. Esto implica que la unidad de medida del calor específico en este caso es el Julio por mol por kelvin (J/mol K).
Calor específico del agua
Los calores específicos de muchas sustancias están calculados y son fácilmente accesibles en tablas. El valor del calor específico del agua en estado líquido es de 1000 caloría/kg K = 4186 J/kg K. Por el contrario, el calor específico del agua en estado gaseoso es de 2080 J/kg K y en estado sólido 2050 J/kg K.
Transmisión de calor
De este modo y dado que ya están calculados los valores específicos de la gran mayoría de las sustancias, es posible determinar la transmisión de calor entre dos cuerpos o sistemas con las siguientes expresiones:
Q = c m ΔT
O si se utiliza el calor específico molar:
Q = c n ΔT
Se debe tener en cuenta que dichas expresiones permiten determinar los flujos de calor siempre que no se produzca un cambio de estado.
En los procesos de cambio de estado se habla de calor latente (L), que se define como la energía necesaria por una cantidad de sustancia para cambiar de fase o de estado, ya sea de sólido a líquido (calor de fusión, Lf) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización, Lv).
Se debe tener en cuenta que tal energía en forma de calor se consume enteramente en el cambio de fase y no revierte una variación de la temperatura. En tales casos las expresiones para calcular el flujo de calor en un proceso de vaporización son las siguientes:
Q = Lv m
Si se utiliza el calor específico molar: Q = Lv n
En un proceso de fusión: Q = Lf m
Si se utiliza el calor específico molar: Q = Lf n
En general, al igual que ocurre con el calor específico, los calores latentes de la mayoría de las sustancias ya están calculados y son fácilmente accesibles en tablas. Así, por ejemplo, para el caso del agua se tiene que:
Lf = 334 kJ/kg (79,7 cal/g) a 0 °C; Lv = 2257 kJ/kg (539,4 cal/g) a 100 °C.
Ejemplo
Para el caso del agua, si se calienta una masa de agua congelada (hielo) de 1 kg desde una temperatura de -25 ºC hasta una temperatura de 125 ºC (vapor de agua), el calor consumido en el proceso se calcularía del siguiente modo:
Etapa 1
Hielo desde -25 ºC hasta 0 ºC.
Q = c m ΔT = 2050 1 25 = 51250 J
Etapa 2
Cambio de estado de hielo a agua líquida.
Q = Lf m = 334000 1 = 334000 J
Etapa 3
Agua líquida desde 0 ºC hasta 100 ºC.
Q = c m ΔT = 4186 1 100 = 418600 J
Etapa 4
Cambio de estado de agua líquida a vapor de agua.
Q = Lv m = 2257000 1 = 2257000 J
Etapa 5
Vapor de agua desde 100 ºC hasta 125 ºC.
Q = c m ΔT = 2080 1 25 = 52000 J
Así, el flujo total de calor en el proceso es la suma del producido en cada una de las cinco etapas y da como resultado 31112850 J.