Despeja la fórmula del calor específico y domina los cálculos térmicos

Mariam Letizia Reyes Rey mayo 3, 2023 7 min de lectura

¿Sabías que el calor específico es una de las propiedades térmicas más importantes de los materiales? Conocer su valor te permite predecir cómo se comportará un objeto o sustancia ante los cambios de temperatura y cómo se transferirá el calor en su interior. En este artículo te explicaremos todo lo que necesitas saber sobre el calor específico: su definición, unidades de medida, fórmulas, cálculos térmicos, factores que influyen en su valor y aplicaciones en la industria. ¡No te pierdas los ejemplos prácticos y los problemas resueltos paso a paso!

¿Qué es el calor específico?

Definición

El calor específico es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de un material en un grado Celsius (o Kelvin) sin que se produzca cambio de estado. En otras palabras, es la capacidad que tiene una sustancia para almacenar energía térmica. Cada material tiene un valor de calor específico diferente y éste depende de su composición química, estado físico y temperatura.

Unidades de medida

Las unidades de medida más comunes para el calor específico son J/(kg·°C) o J/(kg·K), que indican la cantidad de energía en joules necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de material en un grado Celsius o Kelvin, respectivamente. También se puede expresar en cal/(g·°C) o cal/(g·K), donde 1 cal equivale a 4,184 J.

Fórmulas del calor específico

Fórmula para sólidos y líquidos

La fórmula del calor específico para sólidos y líquidos es:

Q = mcΔT

donde Q es la cantidad de calor en joules, m es la masa en kilogramos, c es el calor específico en J/(kg·°C) o J/(kg·K), y ΔT es el cambio de temperatura en grados Celsius o Kelvin.

Fórmula para gases

La fórmula del calor específico para gases depende de si la transformación es a volumen constante (Cv) o a presión constante (Cp):

Cv = (dU/dT)v

Cp = (dH/dT)p

donde dU es la variación de energía interna, dH es la variación de entalpía, v es el volumen y p es la presión. En condiciones normales (1 atm y 25 °C), Cv y Cp son aproximadamente iguales para la mayoría de los gases.

Cálculos térmicos con el calor específico

Ejemplos prácticos

Veamos algunos ejemplos prácticos de cálculos térmicos con el calor específico:

– ¿Cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de 2 kg de agua de 20 °C a 60 °C? El calor específico del agua es de 4,184 J/(kg·°C).

Q = mcΔT = 2 kg x 4,184 J/(kg·°C) x (60 °C – 20 °C) = 502,08 kJ

– ¿Cuál es la temperatura final de 0,5 kg de hierro a 100 °C si se sumerge en 1 kg de agua a 20 °C? El calor específico del hierro es de 0,45 J/(g·°C) y el del agua es de 4,184 J/(kg·°C).

Qhierro = mcΔT = 0,5 kg x 450 J/(kg·°C) x (Tf – 100 °C) = -225(Tf – 100)

Qagua = mcΔT = 1 kg x 4,184 J/(kg·°C) x (Tf – 20 °C) = 4,184(Tf – 20)

Como la energía es conservativa, Qhierro = -Qagua. Despejando Tf, se obtiene Tf = 27,8 °C.

Problemas resueltos paso a paso

Resolvamos algunos problemas más complejos paso a paso:

– Un recipiente de 1 kg de capacidad contiene 0,5 kg de agua a 20 °C y 0,5 kg de hielo a -10 °C. Si se añade una resistencia eléctrica de 100 W durante 10 minutos, ¿cuál será la temperatura final del sistema? Suponiendo que todo el calor se transfiere al agua y al hielo y que el calor específico del hielo es de 2,09 J/(g·°C).

1. Calcular la cantidad de calor necesaria para fundir el hielo:

Qfusión = ml = 0,5 kg x 334 kJ/kg = 167 kJ

2. Calcular la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del agua de 20 °C a Tf:

Qagua = mcΔT = 0,5 kg x 4,184 J/(kg·°C) x (Tf – 20 °C)

3. Calcular la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del hielo fundido de -10 °C a Tf:

Qhielo = mcΔT + Qfusión = 0,5 kg x 2,09 J/(g·°C) x (Tf – (-10) °C) + 167 kJ

4. Sumar las cantidades de calor y igualarlas a la energía eléctrica suministrada:

Qtotal = Qagua + Qhielo = 0,5 kg x 4,184 J/(kg·°C) x (Tf – 20 °C) + 0,5 kg x 2,09 J/(g·°C) x (Tf – (-10) °C) + 167 kJ = 600 kJ

100 W x 600 s = 60 kJ

5. Despejar Tf:

Tf = 38,3 °C

Factores que influyen en el calor específico

Temperatura

El calor específico de un material puede variar con la temperatura. Por ejemplo, el calor específico del agua aumenta a medida que se acerca a su punto de congelación y disminuye cuando se acerca a su punto de ebullición.

Composición química

La composición química de un material influye en su valor de calor específico. Por ejemplo, los metales tienen valores de calor específico más bajos que los líquidos debido a su estructura atómica.

Estado físico

El estado físico de un material también influye en su valor de calor específico. Los líquidos tienen valores de calor específico más altos que los gases debido a que las moléculas están más cercanas entre sí y se producen más interacciones térmicas.

Aplicaciones del calor específico

Industria alimentaria

El conocimiento del calor específico de los alimentos es esencial para la cocción, pasteurización y esterilización de los mismos. Por ejemplo, el calor específico del agua es mayor que el de los alimentos, por lo que se puede utilizar para calentarlos de manera uniforme sin que se quemen.

Industria textil

El calor específico se utiliza en la industria textil para controlar la temperatura en los procesos de tintura, secado y planchado de los tejidos. El conocimiento del calor específico de los tejidos también permite calcular la cantidad de energía necesaria para mantenerlos a una temperatura constante.

Industria metalúrgica

El calor específico se utiliza en la industria metalúrgica para el diseño de hornos y la optimización de los procesos de fundición y laminación de los metales. El conocimiento del calor específico de los metales también permite calcular la cantidad de energía necesaria para enfriarlos y evitar deformaciones.

Conclusión

El calor específico es una propiedad térmica fundamental que permite predecir el comportamiento de los materiales ante los cambios de temperatura y el flujo de calor en su interior. Conocer su valor es esencial para el diseño y optimización de procesos industriales en diferentes sectores. Esperamos que este artículo te haya sido de utilidad para entender mejor el calor específico y cómo aplicarlo en tus cálculos térmicos.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el calor específico molar?

El calor específico molar es el calor específico por unidad de masa molar de una sustancia. Se expresa en J/(mol·°C) o J/(mol·K).

¿Cómo se mide el calor específico de un material?

El calor específico de un material se puede medir mediante calorimetría, que consiste en medir la cantidad de calor que se transfiere a una muestra del material y su correspondiente cambio de temperatura.

¿Qué diferencia hay entre calor específico y capacidad calorífica?

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un objeto en una cantidad determinada. El calor específico es la capacidad calorífica por unidad de masa de un material.

¿Por qué es importante conocer el calor específico de un material?

El conocimiento del calor específico de un material es esencial para el diseño y optimización de procesos industriales en diferentes sectores, así como para entender el comportamiento térmico de los objetos en la vida cotidiana. Además, permite calcular la cantidad de energía necesaria para producir cambios de temperatura en los materiales.