Cantidad de calor

Aunque la palabra calor haga parte del vocabulario del lector, hay muchos fenómenos, que lo involucran, que pasamos por alto o que simplemente ignoramos. Como por ejemplo, al calentar un objeto con fuego sabemos que: (1) el tiempo  requerido para calentar una dada cantidad de material aumenta con el ámbito de temperaturas en que se lo calienta; (2) para calentar una masa mayor de material produciendo un dado aumento de temperaturas se requiere más tiempo que para calentar la misma cantidad de material con la misma temperatura;(3) algunos materiales se calientan más rápido que otros, al ser calentados en fuegos igualmente calientes.Por ahora todo bien. Ahora, consideremos dos recipientes de agua, un recipiente contiene 100g de agua a 20 ℃, a este lo llamamos "tibio", el otro recipiente contiene 100g de agua a 90 ℃, a este lo llamamos "caliente". Coloquemos el contenido de ambos recipientes en un termo. Encontramos que la temperatura resultante de la mezcla es 55 ℃. Podemos avanzar en nuestras experiencias, colocando en un termo 100g de agua a 20 ℃con 200g de agua a 90 ℃. Para lo cual, notamos que la temperatura final de la mezcla es de 66,7 ℃¿cómo podemos explicar el hecho experimental de que la temperatura final en primer caso es simplemente la media aritmética de las temperatura, mientras que en el segundo experimento no sucede lo mismo?

Para responder a esta pregunta, proponemos la introducción del concepto de cantidad de calor dotándolo de ciertas propiedades que nos ayudarán a explicar estas experiencias. Supondremos, que por ejemplo, cada recipiente tiene una cantidad de calor dotándolo de ciertas propiedades que dependen de la masa de agua y de su temperatura. Así, los 100g de agua a 90 ℃ tienen más calor que los 100g a 20 ℃, también los 200g a 90 ℃ más calor que los 100g a la misma temperatura, además supondremos que cuando se mezclan los recipientes la cantidad de calor permanece constante. También suponemos que el calor absorbido por el agua fría es igual al producto de su masa por la aumento de su temperatura; análogamente, el calor perdido por el cuerpo de agua más caliente es igual al producto de su masa por su pérdida de temperatura. Con el objeto de dar forma analítica a estas expresiones, llamaremos M1 a la masa de agua, en gramos, que se encuentra a la temperatura t1, mezclada con la masa M2 de agua, en gramos, que se encuentra a t2, siendo t2 mayor que t1. Sea además t3 la temperatura resultante.

(1)

Vemos inmediatamente que esta ecuación satisface nuestras experiencias pasadas con los recipientes. Para medir cantidades de calor en el laboratorio, debemos elegir una unidad de cantidad de calor, a la que llamaremos caloría(cal) y la definiremos como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua pura entre 14,5 ℃y 15,5 ℃.

Dado que hemos usado una temperatura particular para definir la caloría, esto es, una temperatura media de 15 ℃, es presumible que se haya encontrado que la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua en 1 ℃ varía con la temperatura media de 15 ℃.

Calor específico.

En las experiencias que realizamos para introducir el concepto de calor solo utilizamos una única sustancia, el agua, entonces, ¿que pasa cuando mezclamos agua y ,por ejemplo, aceite? disponemos pues en un termo 100g de agua a 20 ℃con 100g de aceite a 90 ℃. La temperatura resultante resulta ser 43,3 ℃, siendo diferente a la media aritmética de las temperaturas. Explicamos este hecho experimental generalizando nuestro concepto de calor: sustancias diferentes necesitan cantidades de calor diferentes para elevar la temperatura de 1g de ellas a 1 ℃; los 100g de aceite solo necesitan 50 cal para elevar su temperatura a 1 ℃. Debemos asignar a todas las sustancias una propiedad térmica que llamaremos calor específico.

El calor específico (c) de una sustancia es numéricamente igual al número de calorías necesarias para elevar la temperatura de 1g de esa sustancia a 1c.

La cantidad de calor Q necesaria  para elevar una masa m de una sustancia de t1c a t2c, puede expresarse matemáticamente del siguiente modo:

(2)

La capacidad calorífica de un cuerpo se define como el producto de la masa del cuerpo, en gramos, por el calor específico de la sustancia que lo forma, en calorías por gramo centrígrado.

(3)

Para la medición de calores específicos se usa el calorímetro. Este es un instrumento formado por un recipiente cerrado perfectamente aislado con agua, un agitador y un termómetro. Se procede a suministrar una cierta cantidad de calor al calorímetro, se agita después el agua hasta lograr el equilibrio térmico, con el termómetro medimos el aumento de temperatura. Con estos datos podemos despejar el calor específico de la ecuación (2).