Cuantificando el Calor

Energía térmica 

Microscópicamente, la energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. La temperatura es una medida cuantitativa de “calor” o “frío”, que depende de la cantidad de energía térmica. Cuando los átomos y las moléculas de un objeto se mueven o vibran rápidamente, tienen una energía cinética media (Ec) mayor (o energía térmica más alta), y el objeto se percibe como “caliente”, o se describe diciendo que está a una temperatura más alta. Cuando los átomos y las moléculas se mueven lentamente, tienen una Ec media más baja (o menor energía térmica), y el objeto se percibe como “frío”, o se describe diciendo que está a una temperatura más baja. 

Suponiendo que no se produce ninguna reacción química o cambio de fase (como fusión o vaporización), el aumento de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura aumente, mientras que la disminución de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia provocará que su temperatura disminuya.

Calor

El calor (q) es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. El flujo de calor incrementa la energía térmica de un cuerpo y disminuye la energía térmica del otro. El calor fluye espontáneamente de caliente a frío (es decir, sólo en una dirección) y continúa hasta que las dos sustancias están a la misma temperatura. Los cambios en el calor se miden a través de cambios en la temperatura. 

La unidad SI de calor, trabajo y energía es el joule. Un joule (J) se define como la cantidad de energía utilizada cuando una fuerza de 1 newton mueve un objeto 1 metro. Es nombrado en honor al físico inglés James Prescott Joule. Un joule equivale a 1 kg m²/s², que también se denomina 1 newton–metro. Un kilojoule (kJ) son 1000 joules. Para estandarizar su definición, una caloría se ha fijado en 4,184 joules.

Transferencia de energía térmica

La capacidad calorífica (C) de un cuerpo de materia es la cantidad de calor (q) que absorbe o libera cuando experimenta un cambio de temperatura (ΔT) de 1 grado C (o equivalentemente, 1 kelvin):

La capacidad calorífica se determina tanto por el tipo como por la cantidad de sustancia que absorbe o libera calor. Por lo tanto, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva – su valor es proporcional a la cantidad de la sustancia. Por ejemplo, considere las capacidades caloríficas de dos sartenes de hierro fundido. La capacidad calorífica de la sartén grande es cinco veces mayor que la de la sartén pequeña porque, aunque ambas están hechas del mismo material, la masa de la sartén grande es cinco veces mayor que la masa de la sartén pequeña. Más masa significa que hay más átomos presentes en la sartén más grande, por lo que se necesita más energía para hacer que todos esos átomos vibren más rápido. La capacidad calorífica de la sartén pequeña de hierro fundido se encuentra mediante la observación de que se necesitan 18.140 J de energía (q) para aumentar la temperatura de la sartén en 50,0 °C (ΔT):

La sartén de hierro fundido más grande, aunque está hecha de la misma sustancia, requiere 90.700 J de energía (q) para aumentar su temperatura en 50,0 °C (ΔT). El recipiente más grande tiene una capacidad calorífica (proporcionalmente) mayor porque la mayor cantidad de material requiere una cantidad (proporcionalmente) mayor de energía para producir el mismo cambio de temperatura:

La capacidad calorífica específica (c) de una sustancia, comúnmente denominada “calor específico”, es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 grado Celsius (o 1 kelvin): 

La capacidad calorífica específica depende únicamente del tipo de sustancia que absorbe o libera calor. Es una propiedad intensiva, por lo que no depende de la cantidad de la sustancia. Por ejemplo, la sartén pequeña de hierro fundido tiene una masa de 808 g. El calor específico del hierro (el material utilizado para hacer la sartén) es, por lo tanto:

La sartén grande tiene una masa de 4040 g. Utilizando los datos de esta sartén, también podemos calcular el calor específico del hierro: 

Aunque la sartén grande tiene más masa que la sartén pequeña, ya que ambas están hechas del mismo material, ambas producen el mismo valor para el calor específico (para el material de construcción, hierro). Tenga en cuenta que el calor específico se mide en unidades de energía por temperatura por masa y es una propiedad intensiva, que se deriva de una relación de dos propiedades extensivas (calor y masa). La capacidad calorífica molar, también una propiedad intensiva, es la capacidad calorífica por mol de una sustancia en particular y tiene unidades de J/mol⋅°C.

El agua tiene un calor específico relativamente alto (aproximadamente 4,2 J/g⋅°C para el líquido y 2,09 J/g⋅°C para el sólido); la mayoría de los metales tienen un calor específico mucho menor (generalmente menos de 1 J/g⋅°C). Conociendo la masa (m) de una sustancia y su calor específico (c), se puede determinar la cantidad de calor, q, que entra o sale de la sustancia midiendo el cambio de temperatura (ΔT) antes y después de que el calor se gane o se pierda: 

Si una sustancia gana energía térmica, su temperatura aumenta, su temperatura final es superior a su temperatura inicial, T_final − T_inicial tiene un valor positivo y el valor de q es positivo. Si una sustancia pierde energía térmica, su temperatura disminuye, la temperatura final es inferior a la temperatura inicial, T_final − T_inicial tiene un valor negativo y el valor de q es negativo.

Tenga en cuenta que la relación entre calor, calor específico, masa y cambio de temperatura se puede utilizar para determinar cualquiera de estas cantidades (no sólo calor) si las otras tres son conocidas o pueden deducirse.

Este texto ha sido adaptado de OpenStax, Química 2e, Sección 5.1: Fundamentos de la Energía y OpenStax, Química 2e, Sección 5.3: Entalpía.