Calorimetría. Capacidad calorífica y calor específico

En un sentido amplio, la calorimetría se desarrolló históricamente como una técnica destinada a fabricar aparatos y procedimientos que permitieran medir la cantidad de calor desprendida o absorbida en una reacción mecánica, eléctrica, química o de otra índole. Esta disciplina, encuadrada dentro de la termodinámica, se ha especializado sobre todo, con el paso del tiempo, en la determinación del calor específico de los cuerpos y los sistemas físicos.

Capacidad calorífica

Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa como:

La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de lacalorimetría, el calor específico.

Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.

Calor específico

El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se expresa como:

donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad calorífica, Q el calor aportado y T el incremento detemperatura.El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:

Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya que:

Calorimetría

La determinación del calor específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la calorimetría.

El procedimiento más habitual para medir calores específicos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición en un baño de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el sistema está aislado, cuando se alcance el equilibrio térmico se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a la inversa.

Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido por el cuerpo es igual al absorbido por el agua.

Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se cumple que:

siendo m la masa del cuerpo sumergido, c su calor específico, T la temperatura inicial del cuerpo, ma la masa de agua, ca el calor específico del agua, Ta la temperatura inicial del agua y Tf la temperatura final de equilibrio. Todos los valores de la anterior expresión son conocidos, excepto el calor específico del cuerpo, que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.

Calor específico de los gases

En el caso de los gases, ha de distinguirse entre calor específico a volumen constante (cv) y a presión constante (cp). Por elprimer principio de la termodinámica, y dado que el calentamiento de un gas a volumen constante no produce trabajo, se tiene que:

En el caso particular de gases diluidos, la vinculación entre el calor específico a presión y a volumen constante sigue la llamadarelación de J. R. Mayer (1814-1878):

siendo Nm el número de moles por unidad de masa y R la constante universal de los gases perfectos.

La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica

específica es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que

suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar

su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor

de la temperatura inicial.1 2 Se le representa con la letra   (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que

suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad

(kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra   (mayúscula).

Por lo tanto, la capacidad calorífica específica es el cociente entre la capacidad calorífica y

la masa, esto es   donde   es la masa de la sustancia.1