El calor y el calor específico

¿Para qué sirve esto?

Pones al fuego una olla de aluminio con agua. A los pocos minutos la olla quema si la tocas, pero el agua apenas está tibia. Al mediodía, en la playa, la arena te quema los pies mientras el agua del mar sigue fresca. En los dos casos el sol o la estufa les entregan energía a dos materiales, y uno se calienta mucho más rápido que el otro.

En esta lección vas a ver qué es exactamente el calor, cómo se mide y por qué unas sustancias cuestan más que otras de calentar. Con una sola fórmula vas a poder calcular cuánta energía necesitas para calentar el agua de una ducha, de una olla o de un tanque, y también cuánta suelta un cuerpo al enfriarse.

Antes de empezar necesitas la lección anterior (temperatura, escalas y equilibrio térmico) y saber despejar una incógnita en una ecuación de primer grado.

El calor es energía que pasa

Si pones una cuchara fría dentro de una sopa caliente, al rato la cuchara está tibia y la sopa un poquito menos caliente. Las partículas de la sopa, que se agitan más, chocan con las de la cuchara y les pasan parte de su movimiento. Esa energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a temperaturas distintas es el calor.

El calor siempre pasa del cuerpo más caliente al más frío, nunca al revés por sí solo. Y deja de pasar cuando los dos llegan a la misma temperatura: el equilibrio térmico. Como el calor es energía, se mide en joules (J), la misma unidad de la energía de movimiento o de la energía eléctrica.

Recuerda la diferencia con la temperatura. La temperatura es algo que tiene cada cuerpo en un momento; el calor es energía en tránsito, que solo existe mientras pasa. Por eso no se dice que la sopa «tiene mucho calor», sino que está a una temperatura alta y que le puede ceder calor a lo que esté más frío. Y la cuchara no «tiene frío»: está a menor temperatura y gana calor.

¿De qué depende el calor que hace falta?

Piensa en calentar agua en la estufa. Hacen falta más joules si:

• Hay más agua. Calentar una olla grande toma más energía que calentar una taza, aunque las dos lleguen a la misma temperatura. Cada partícula necesita su parte de energía para agitarse más, y en la olla hay muchas más partículas.
• Quieres subir más la temperatura. Llevar el agua de tibia a hirviendo cuesta más que llevarla de fría a tibia.
• Cambias de sustancia. Con la misma energía, un gramo de aceite se calienta más que un gramo de agua.

Las tres ideas se juntan en una fórmula:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$

$Q$ es el calor que gana el cuerpo, en joules; $m$ es la masa, en gramos; $\Delta T$ es el cambio de temperatura, la final menos la inicial, en grados Celsius (que es el mismo cambio en kelvin); y $c$ es el calor específico de la sustancia.

El calor específico

El calor específico es la energía que hay que darle a un gramo de una sustancia para que su temperatura suba un grado Celsius. Se mide en $\text{J}/(\text{g}\cdot\text{°C})$.

El del agua es $4{,}18\ \text{J}/(\text{g}\cdot\text{°C})$: para subir un grado un gramo de agua hay que darle algo más de cuatro joules. Es un valor redondeado; también lo verás escrito como $4186\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\text{°C})$, por kilogramo y con una cifra más, que también es aproximado (cambia un poco con la temperatura del agua). Si la masa viene en kilogramos, pásala a gramos antes de usar $4{,}18$.

El agua tiene un calor específico muy alto comparado con casi todo lo que hay en una cocina. El aceite tiene más o menos la mitad, la arena y el aluminio mucho menos. Por eso la olla de aluminio se calienta enseguida y el agua tarda, y por eso el mar se mantiene fresco mientras la arena quema. En los problemas de esta lección, el calor específico de cualquier otro material viene en el enunciado.

Ganar y ceder calor

Si el cuerpo se calienta, la temperatura final es mayor que la inicial, $\Delta T$ es positivo y $Q$ también: el cuerpo gana calor. Si se enfría, $\Delta T$ es negativo y $Q$ sale negativo: el cuerpo cede calor a su alrededor. El signo dice hacia dónde va la energía.

De la misma fórmula se puede despejar cualquier dato. Si conoces el calor, la masa y el material, sale el cambio de temperatura, $\Delta T = \dfrac{Q}{m\,c}$. Si conoces el calor, el material y el cambio, sale la masa, $m = \dfrac{Q}{c\,\Delta T}$.

Cuando la temperatura no sube

Hay un caso en que se le da calor a una sustancia y su temperatura no cambia: mientras cambia de estado. Si calientas hielo, primero sube su temperatura hasta $0\ \text{°C}$. Después, mientras se derrite, el termómetro se queda en $0\ \text{°C}$ aunque la estufa siga entregando calor: esa energía se usa en separar las partículas del sólido, no en agitarlas más. Cuando ya todo es líquido, la temperatura vuelve a subir, y otra vez se detiene mientras el agua hierve. La fórmula $Q = m\,c\,\Delta T$ solo vale en los tramos en que no hay cambio de estado.

En resumen

• El calor es energía que pasa del cuerpo más caliente al más frío, hasta el equilibrio térmico; se mide en joules.

• El calor que gana un cuerpo es Q = m·c·ΔT: depende de la masa, del cambio de temperatura y de la sustancia.

• El calor específico del agua es 4,18 J/(g·°C), redondeado; es muy alto, y por eso el agua tarda en calentarse y en enfriarse.

• Si el cuerpo se enfría, ΔT y Q son negativos y el cuerpo cede calor.

• Durante un cambio de estado entra calor y la temperatura no cambia; Q = m·c·ΔT solo vale sin cambio de estado.

Vocabulario

Calor

Energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a temperaturas distintas. Se mide en joules (J).

Calor específico

Energía que hay que darle a un gramo de una sustancia para que su temperatura suba un grado Celsius. Cada sustancia tiene el suyo.

Equilibrio térmico

Estado en que dos cuerpos en contacto ya tienen la misma temperatura y el calor deja de pasar entre ellos.

Curva de calentamiento

Gráfica de la temperatura de una sustancia contra el tiempo mientras se le da calor.

Cambio de estado

Paso de una sustancia de sólido a líquido, de líquido a gas o al revés. Mientras ocurre, la temperatura no cambia.