CALORIMETRÍA
(Capacidad calorífica
y calor específico)
CRISTHIAN Y. HILASACA ZEA

Introducción
La termodinámica es la rama de la física que
estudia los procesos donde hay
transferencia de energía en forma de calor y
de trabajo. Cuando dos cuerpos a diferentes
temperaturas se ponen en contacto térmico
entre sí, la temperatura del cuerpo más
cálido disminuye y la del más frío aumenta.
Si permanecen en contacto térmico durante
cierto tiempo, finalmente alcanzan una
temperatura común de equilibrio, de valor
comprendido entre las temperaturas
iniciales. En este proceso se produjo una
transferencia de calor del cuerpo más cálido
al más frío. La pregunta que surge es
¿cuáles son las características
de esa transferencia de calor?

DEFINICIONES
Sistema: cualquier grupo de átomos, moléculas,
partículas u objetos en estudio termodinámico.
Por ejemplo el agua dentro de un envase, el
cuerpo de un ser vivo o la atmósfera. “Entre el sistema y el ambiente puede
haber intercambio de calor y de
energía y se puede realizar trabajo”
Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo
que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el
exterior al envase donde está el agua, o el espacio que
rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo).

Tipos de sistema
Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale
masa, pero que puede intercambiar calor y energía
con el ambiente.
Sistema abierto: sistema que puede tener variación
de masa, como por ejemplo intercambio de gases o
líquidos, o de alimentos en los seres vivos.
Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se
produce ningún intercambio de calor o energía con
el ambiente a través de sus fronteras.

CALOR Es una manifestación de la
energía provocada por choques
moleculares.
De un cuerpo que gana energía por este mecanismo
de choques moleculares se dice que absorbe calor; del
que pierde energía decimos que desprende calor.
El calor, (símbolo Q), se define como
la energía cinética total de todos los
átomos o moléculas de una sustancia.

El concepto de calor, se usa para describir la energía que se transfiere de un lugar
a otro, es decir flujo de calor es una transferencia de energía que se produce
Únicamente como consecuencia de las diferencias de temperatura.
La energía
interna

OBSERVACIONES IMPORTANTES:
 La materia no contiene calor
 La materia contiene energía en diferentes formas
(ENERGÍA INTERNA )
CALOR:
Ganado o perdido
CAMBIO DE ENERGÍA
Interna debido a una
diferencia de temperatura
Q = ∆E
Q = calor transferido
∆E = Cambio de energía interna
Q = Ef -Ei

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Conducción: Se da fundamentalmente en sólidos. Al calentar
un extremo. Las moléculas adquieren más energía y vibran sin
desplazarse, pero comunicando esta energía a las moléculas
vecinas.
Por Convección: Se da fundamentalmente en fluidos (líquidos y
gases). Las moléculas calientes adquieren un mayor volumen y
por tanto una menor densidad con lo que ascienden dejando
hueco que ocupan las moléculas de más arriba.
Radiación: Se produce a través de ondas electromagnéticas
que llegan sin necesidad de soporte material. De esta
manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol.

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La
superficie interior está a 20°C y la superficie exterior a 12°C. ¿Cuántos joules
de calor pasan a través de esta ventana en una hora?
Suponga L = 1.5 cm y que k = 0.8 J/s m °C.
A = (2 m)(6 m) = 12 m2
Solución:
(0.8 J/ms °C)(12 m2
)(8°C)(3600 s)
0.0150 m
𝑄 = 18 432 000 𝐽

Ejemplo 2: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627°C.
La emisividad es 0.12. ¿Qué potencia se radia?
Solución:
A  4R2
 4 (0.12m)2
A = 0.181 m2
T = 627 + 273; T = 900 K
P  eAT4
P  (0.12)(5.67 x 10-8
W/mK4
)(0.181 m2
)(900 K)4
Potencia radiada desde la superficie: P = 808 W

Cuando la ciencia termodinámica era bebe, digamos a principios del 1800, y no se
comprendía bien el concepto de calor, los científicos definieron el calor en términos
de los cambios en la temperatura que el calor produce en los cuerpos.
Por lo que se definió una unidad de medida del
calor, llamada caloría, símbolo cal, como la cantidad
de calor necesaria para elevar la temperatura de un
gramo de agua en un grado Celsius desde 14.5º C a
15.5º C.
La unidad de calor en el sistema ingles se llama Unidad
térmica británica, (Btu), definida como la cantidad de
calor necesaria para elevar la temperatura de una libra
de agua en un grado Celsius de 63º F a 64º F. Se elige
ese rango de temperatura, porque la cantidad de calor
requerida depende levemente de la temperatura; se
requiere más calor para elevar la temperatura del agua
fría que la del agua a punto de hervir.

Equivalencias de las diversas
unidades de calor:
o 1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal
o 1 joule = 0.24 cal
o 1 joule = 1x107 ergs
o 1 caloría = 4.18 joules
o 1 Btu = 778 lb.pie
Como en la actualidad se reconoce al calor como una forma de energía, la unidad de
medida de calor en el SI es el Joule, J. Algunas de las conversiones más comunes
entres las unidades de calor y energía son las siguientes:
 1 cal = 4.186 J = 3.97x10-3 Btu
 1 J = 0.239 cal = 9.48x10-4 Btu
 1 Btu = 1055 J = 252 cal

En nutrición se llama Caloría, Cal con mayúscula, a las
calorías alimenticias o dietéticas, usada en la descripción del
contenido de energía de los alimentos y equivale a 1000
calorías o 1 kilocaloría, es decir 1 Cal = 1kcal = 1000 cal.
¿Cuál es la diferencia entre kilocaloría, kiloJoule
y caloría?
La mayoría de las personas confunden el término
caloría con kilocaloría, lo correcto es expresar la
energía de los alimentos en kilocalorías (kcal).
 Una caloría es la cantidad de energía necesaria
para elevar la temperatura de 1 gramo de agua
hasta 1ºC.
 Una kilocaloría es la cantidad de energía
necesaria para elevar la temperatura de 1
kilogramo de agua hasta 1ºC por tanto, una
kilocaloría equivale a mil calorías.
 Una kilocaloría equivale a 4.185 kiloJoules.
El cuerpo necesita energía para vivir, y ésta la
obtenemos a través de la dieta diaria por medio de
carbohidratos, grasas y proteínas.
¿Cuántas calorías tiene la comida?
 1 gramo de carbohidratos aporta 4 kcal
 1 gramo de proteína aporta 4 kcal
 1 gramo de grasa aporta 9 kcal.
 1 gramo de alcohol aporta 7 kcal
 Las vitaminas y minerales no aportan
energía (calorías).

Ejemplo 3: Una lola se sirve 1000 Cal en alimentos, los que luego quiere perder
levantando pesas de 25 kg hasta una altura de 1.8 m. Calcular el número de veces que
debe levantar las pesas para perder la misma cantidad de energía que adquirió en
alimentos y el tiempo que debe estar haciendo el ejercicio. Suponga que durante el
ejercicio no se pierde energía por fricción.
Para perder las 1000 Cal, la lola debe
realizar la misma cantidad de trabajo
mecánico, es decir W = 1000 Cal.
Transformando este valor al SI:
Solución:
Esta es la cantidad de trabajo que debe
ser realizado levantando pesas de 25
kg. El trabajo en un solo levantamiento
hasta 1.8 m es:
Como el trabajo W1 debe ser realizado
n veces hasta completar la cantidad W,
entonces W = n W1, despejando n,
Supongamos que la lola es muy rápida para
levantar pesas, tal que produce un
levantamiento cada 5 segundos, entonces el
tiempo total del ejercicio es:
Por lo que es obvio
que es más fácil
bajar de “peso”
haciendo dieta.

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Se demuestra que una caloría, que se conoce como el equivalente mecánico del
calor, es exactamente igual a 4.186 J, sin importar quien produce el aumento de
temperatura:
1 Caloría = 4, 186 Jouls
En la historia de la ciencia, la definición
de equivalente mecánico del calor hace
referencia a que el movimiento y el calor
son mutuamente intercambiables, y que
en todos los casos, una determinada
cantidad de trabajo podría generar la
misma cantidad de calor siempre que el
trabajo hecho se convirtiese totalmente
en energía calorífica

La capacidad calórica, C, de cualquier sustancia
se define como la cantidad de calor, Q, que se
requiere para elevar la temperatura de una
sustancia en un grado Celsius.
CAPACIDAD CALORÍFICA
T
Q
C


Es la relación entre el calor suministrado
y el aumento correspondiente de
temperatura.
Donde:
C : capacidad calorífica (J/°C)
ΔQ: Incremento de Calor (J o cal)
ΔT: Incremento de Temperatura (°C )
La capacidad calorífica es un valor
característico de los cuerpos, y está
relacionado con otra magnitud
fundamental de la calorimetría, el
calor específico.

La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para cambiar la temperatura de una
masa dada de materia, no es la misma para todos los materiales. Por ejemplo, el calor necesario
para elevar la temperatura en un grado Celsius de un kilogramo de agua es 4186 J, pero el calor
necesario para elevar la temperatura en 1°C de 1 kg de cobre es solo 390 J.

El calor específico se define como la cantidad de
calor Q, que necesita un gramo de una sustancia
para elevar su temperatura un grado Celsius.
CALOR ESPECÍFICO
La unidad de calor especifico en el S.I. es el
julio por kilogramo por Kelvin, es decir:
Se puede expresar también en calorías,
sobre gramo por grados Celsius.
Es característico de cada material
y corresponde a su capacidad
calórica por unidad de masa (m).
Tm·
Q
c



Cuando el calor suministrado o cedido por una sustancia, para que se produzca
un aumento o disminución de temperatura depende de tres factores:
1. La masa del cuerpo
2. El calor específico
3. Variación de la temperatura ∆𝑇 (𝑇 𝑓 - 𝑇𝑖 )
De esta forma, la cantidad de calor se expresa como:
Q= calor (J)
m= masa (Kg)
ce= calor especifico (J/Kg.°K)
∆T= variación de temperatura (°K)
Donde:

La capacidad calórica de cualquier sustancia es
proporcional a su masa. Por esta razón es
conveniente definir la capacidad calórica por
unidad de masa, es decir que no dependa de
la masa, a la que se llama calor específico, c:
También se puede definir el calor específico
molar de una sustancia como la capacidad
calórica por unidad de moles, entonces una
sustancia que contiene n moles, tiene un calor
específico molar igual a c = C/n, que se mide en
el SI en J/(mol K) o J/(mol °C).
De la definición del calor específico
de la ecuación 13.2, se puede
determinar la energía calórica Q
transferida entre una sustancia de
masa m y los alrededores para un
cambio de temperatura, como:

Ejemplo 4: Si el calor específico del acero es 0,12 cal/g°.C, la cantidad de calor necesaria
para que 0,4 Kg de acero pasen de 20°C a 100°C es:
Solución:
𝑚 = 0,4 𝐾𝑔 = 400 𝑔
T= 100 − 20 = 80°𝐶
La cantidad de calor
necesaria es:
𝑄 = 3840 𝑐𝑎𝑙
Tm·
Q
c


Reemplazando:
0,12 𝑐𝑎𝑙 𝑔°. 𝐶 =
𝑄
(400𝑔)(80°𝐶)

Ejemplo 5: La capacidad calórica de un cuerpo de 200 g de masa que aumenta su
temperatura en 40°C cuando le suministran 4.000 cal es:
Solución:
𝑚 = 200 𝑔
Q = 4000 𝑐𝑎𝑙
La cantidad de calor
necesaria es:
𝐶 = 100 𝑐𝑎𝑙°𝐶
Reemplazando:
C =
4000 𝑐𝑎𝑙
40°𝐶
T
Q
C


T = 40°𝐶

Ejemplo 6: Un trozo de material de masa m que tiene una temperatura inicial Tim, se
sumerge en un envase que contiene una masa M de agua a la temperatura inicial TiA < Tim.
Si la temperatura de equilibrio de la mezcla es T, calcular el calor específico del material.
Despreciar la transferencia de calor al envase y al ambiente.
Solución:
Como la temperatura inicial del agua es menor que la del material, este le entrega calor al agua. Cuando se alcanza
el estado de equilibrio, por la conservación de la energía, el calor Qm entregado por el material debe ser igual al
calor QA absorbido por el agua, entonces:
Despejando el calor específico c
del material, se obtiene:

Ejemplo 7: Un trozo de metal de 50 g que se encuentra a 200°C se sumerge en un envase
que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. Si la temperatura final de equilibrio del
sistema mezclado es 22.4°C. Calcular:
a) el calor específico del material,
b) el calor ganado por el agua. Despreciar la transferencia de calor al envase y al medio ambiente.
Solución:
𝑐 𝐴 = 4186 𝐽/𝐾𝑔. °𝐶
𝑚 𝑚 = 50𝑔 𝑇𝑖𝑚 = 200°𝐶
𝑚 𝐴 = 400𝑔 𝑇𝑖𝐴 = 20°𝐶
𝑇𝑓𝑚 = 22,4°𝐶 = 𝑇𝑓𝐴
Datos:
a) Al introducir el metal caliente en el agua mas fría, el metal
se enfría y el agua se calienta, alcanzando ambos 22.4°C, es
decir, el metal pierde calor y el agua gana calor.
b) El calor ganado por el agua es
QA = mA.cA(TfA - TiA),
con los valores:

Ejemplo 8: Una bala de plomo de 2 g de masa disparada con una rapidez de 300 m/s, se
incrusta en un poste de madera. Suponiendo que toda la energía térmica generada
durante el impacto permanece en la bala, calcular su cambio de temperatura.
Solución:
𝑚 = 2𝑔
𝑣 = 300 𝑚/𝑠
La energía cinética de
la bala es:
Toda esta energía cinética se transforma en calor en la bala, como para el plomo
c = 128 J/Kg°C, entonces:
𝑇 = 351,6 °𝐶

Puedes analizar las siguientes situaciones:
Intentas comer un pedazo de
pizza caliente recién sacada
del horno.
Si bien aparenta estar aun a temperatura moderada en su exterior
su masa podría quemarte

Estas en la playa y el día
ofrece un intenso sol
El pisar la arena se convierte en
una situación insoportable

Te sientes con escalofrió en una
noche muy fría, y para conciliar el
sueño utilizas una bolsa de agua
caliente.

El agua tiene el valor mas elevado de calor especifico existente por lo que su
temperatura apunta a preservar la temperatura en un rango de tiempo significativo.
4180 J/ Kg.K
Que indica que para 1 Kg de agua enfrié o caliente su
temperatura en 1 K se requiere absorber o proporcionar 4180 J
de energía
Calor especifico del hielo y del vapor de agua
2090 J/ Kg.K

Ejercicio 1: Una taza de cobre 500 g se llena con 200 g de café. ¿Cuánto calor se
requirió para calentar taza y café de 20 °C a 96 0C?
EJERCICIOS PROPUESTOS
Ejercicio 2: Un puñado de perdigones de cobre se calienta a 90°C y luego se sueltan en
81 g de agua en un vaso a 100°C. Si la temperatura de equilibrio es de 180°C. ¿Cuál es
fue la masa del cobre?
Ejercicio 3: ¿Que cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 10 Kg para
que eleve su temperatura de 20°C a 91°C?
Ejercicio 4: 600 gramos de hierro se encuentran a una temperatura de 19°C. ¿Cuál será
su temperatura final si se le suministran 1300 calorías?
Ejercicio 5: Una figura de metal de 400 g que está a 180°C se enfría sumergiéndola en 1
litro de agua a 10°C. Si la temperatura de equilibrio resulta a 12°C determina el calor
específico del metal .
Datos Ce( agua) 4180 J/Kg°C

El calor específico se define como la cantidad de
calor Q, que necesita un gramo de una sustancia
para elevar su temperatura un grado Celsius.
CALOR LATENTE
La unidad de calor especifico en el S.I. es el
julio por kilogramo por Kelvin, es decir:
Se puede expresar también en calorías,
sobre gramo por grados Celsius.
Es característico de cada material
y corresponde a su capacidad
calórica por unidad de masa (m).
Tm·
Q
c

