La energía se puede definir como toda propiedad que se puede producir a partir de trabajo o que puede convertirse en trabajo, incluyendo el propio trabajo.
Como existen diferentes formas de trabajo, habrá diferentes manifestaciones de energía. Así por ejemplo, existe trabajo eléctrico, y energía eléctrica, trabajo mecánico y energía mecánica, etc. Se ha estudiado que el trabajo mecánico es el producto de una fuerza por el desplazamiento de su punto de aplicación. También las demás formas de trabajo son el producto de una fuerza generalizada conocida también como factor de intensidad y un desplazamiento generalizado o factor de capacidad. Por ejemplo en el trabajo eléctrico, la fuerza generalizada es la fuerza electromotriz y el desplazamiento generalizado la cantidad de electricidad que circula por un conductor.
Hemos visto que cuando dos o mas sistemas diferentes se ponen en contacto entre sí a través de una pared diatérmana, alcanzan el estado de equilibrio térmico. Las transformaciones que sufren los sistemas para alcanzar el estado de equilibrio térmico, se estiman provocadas por el pasaje de un cuerpo a otro de una forma de energía llamada calorífica o simplemente calor.
Según dijimos antes, si el calor es una forma de energía podrá producirse a través de un trabajo o bien convertirse en trabajo. Esto ha sido demostrado experimentalmente ya que es posible producir calor a partir de trabajo mecánico (por ejemplo por rozamiento), o bien a partir de un trabajo eléctrico haciendo pasar electricidad a través de una resistencia. También es posible aunque en parte, convertir el calor en trabajo mediante una máquina térmica como veremos más adelante.
Como el calor se puede transmitir de un sistema o cuerpo a otro, debido a un desequilibrio térmico, desde el punto de vista termodinámico puede considerarse como una energía en tránsito.En tal caso, la diferencia de temperatura que provoca el pasaje de calor es el factor de intensidad o fuerza generalizada, mientras que el factor de capacidad o desplazamiento generalizado es la capacidad calorífica.
El pasaje de calor, de un cuerpo a otro, puede provocar la disminución de temperatura de uno y el aumento de temperatura del otro. En el primer caso se dice que el cuerpo pierde calor, y se lo toma arbitrariamente como negativo, mientras que en el otro caso el cuerpo gana o absorbe calor, tomándose como positivo. Esto puede llevar a pensar que el calor es una sustancia que puede transmitirse de un cuerpo a otro, tal como se suponía hasta el año 1.800 y a la que se dio el nombre de calórico.
Mas adelante veremos que tal idea es errónea ya que el calor no está asociado al sistema sino que solo "existe" o tiene sentido hablar de él, cuando hay transmisión o pasaje de un sistema a otro debido una diferencia de temperatura.
Cuando a un cuerpo se le suministra energía calorífica y su temperatura aumenta dicha energía
recibe el nombre de "calor sensible”. (cambio de temperatura)
Si en cambio el cuerpo no modifica su temperatura pero sufre variación en su estado físico, la energía calorífica se denomina "calor latente” . Por ej. calor latente de fusión, de vaporización, etc. (cambio de estado físico).
Unidades de calor
La medida del calor se realiza mediante los cambios que provoca en los sistemas. La unidad de medida se escoge como aquella que provoca un cambio unitario Así por ejemplo, se define como"caloría” , (cal) a la cantidad, de calor que se debe suministrar a 1 gramo de agua pura, para elevar su temperatura 1 ºC, entre 14,5 ºC y 15,5 ºC.
Se define como kilocaloría (kcal), o Caloría grande o Gran Caloría (CAL) a la cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de agua pura, para elevar su temperatura 1 ºC entre 14,5 y 15,5 ºC.
Se cumple entonces que: 1 kcal = 1000 cal
En la definición de las unidades de calor se especifican las temperaturas del incremento de 1 ºC, debido a que la cantidad de calor necesaria para provocar dicha elevación de temperatura varía según el intervalo de temperaturas escogido.
Capacidad calorífica
Cuando un sistema absorbe calor sensible, o sea que sufre un incremento de temperatura ΔT, siendo Q el calor absorbido, se denomina Capacidad Calorífica Media del sistema a la relación:
C = Q/ ΔT donde ΔT = Tf − Ti (temperatura inicial – temperatura final)
Puede entonces definirse también como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 º la temperatura de un cuerpo.
De acuerdo a la definición de caloría que hemos dado anteriormente es evidente que la capacidad calorífica de 1 gr de agua a 15 ºC aproximadamente, es igual a 1.
La capacidad calorífica es una propiedad extensiva porque depende de la cantidad de sustancia que forma el sistema.
Como también depende de la temperatura, el valor de Q obtenido de la ecuación anterior solo es válido para el intervalo de temperaturas entre Tf y Ti. Para definir la capacidad calorífica a una temperatura dada, es necesario hacer lo más pequeño posible al intervalo de temperaturas, haciendo tender hacia ella, el valor de la otra temperatura. Así por ej. el valor de la capacidad calorífica verdadera a temperatura Ti será:
Como la cantidad de calor Q depende del camino o proceso, seguido para obtener el incremento de temperatura ΔT (o sea que no es función de estado), la ecuación anterior podrá escribirse:
Donde δQ es una cantidad de calor infinitamente pequeña o diferencial inexacta, ya que no es la diferencial de una función real.
Como la cantidad de calor para provocar un mismo incremento ΔT a la misma cantidad de masa, varía según las condiciones en que se lo suministre, la capacidad calorífica de un cuerpo dependerá también del proceso que se haya seguido en la transferencia de calor. Así por ej., para elevar en un grado la temperatura de un gas a volumen constante, se requiere menos calor que si se lo calienta a presión constante. Esto significa que la “capacidad calorífica a volumen constante” Cv es menor que la “capacidad calorífica a presión constante” Cp.
Unidades
Las unidades de la capacidad calorífica son: cal. grado-1.