Las reacciones químicas y los cambios físicos ocurren tanto con una evolución simultánea de calor (procesos exotérmicos) o con una absorción de calor (procesos endotérmicos). La cantidad de calor que se transfiere con un proceso generalmente se expresa en calorías o en la unidad SI, que es el joule. La caloría se definió originalmente como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua a presión de una atmósfera de 14.5º C a 15.5º C. En la actualidad se define exactamente como 4.184 joules. La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua líquida varía ligeramente según temperatura y la presión, por lo que es necesario especificar un incremento de temperatura específico y una presión constante para describir ala caloría. Para los objetos del texto, se considera que dichas variaciones son suficientemente pequeñas para ignorarlas. Las kilocalorías, (1000 calorías) sirven para expresar el contenido de energía de los alimentos. En el presente texto los cálculos se efectuan en joules.
La unidad SI de energía y trabajo es el joule (J), el cual se define como 1 kg m2/s2 . La energía cinética (Ec) de un cuerpo de masa m y que se mueve con una velocidad v , y está dado por ½ · mv2. Un objeto de 2kg que se mueve a un metro por segundo tiene Ec= ½ · (2kg)(1m/s)2.
1 kg · m2/s2= 1 joule. Puede ser más conveniente expresar esta unidad en función de la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua a 14.5º C a 15.5ºC, que es 4.184 joules.
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de la sustancia un grado centígrado (también un kelvin) sin cambio de fase. Los cambios de fase (estado físico) absorben o liberan grandes cantidades de energía. El calor específico de cada sustancia, que es una propiedad física, difiere de las fases sólida, líquida y gaseosa de la sustancia. Por ejemplo, el calor específico del hielo es 2.09 J/g · ºC, cerca de los 0ºC; para el agua líquida es 4.18 J/g · ºC, mientras que para el vapor es 2.03 J/g · ºC cerca de los 100ºC, el calor específico del agua es bastante elevado.
Calor específico = (cantidad de calor en J)
(masa de la sustancia en g) · (cambio de temperatura en ºC)
La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1ºC. La capacidad calorífica de un cuerpo es igual al producto de su masa en gramos por su calor específico.
Ejemplo:
¿Qué cantidad de calor en joules se requiere para elevar la temperatura de 205g de agua de 21.2ºC a 91.4ºC?
Solución:
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de sustancia 1ºC.
La expresión antes vista puede reordenarse, para despejar:
Cantidad de calor = (masa de la sustancia) · (calor específico) · (cambio de temperatura)
= (205 g) (4.18 J/g · ºC) (70.2 ºC) = 6.02 x104 J
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