El calor como forma de energía
Debido a que todas las formas de energía, incluido el calor, pueden convertirse en trabajo, las cantidades de energía se expresan en unidades de trabajo, como julios, pies-libra, kilovatios-hora o calorías. Existen relaciones exactas entre las cantidades de calor añadidas o retiradas de un cuerpo y la magnitud de los efectos sobre el estado del mismo. Las dos unidades de calor más utilizadas son la caloría y la unidad térmica británica (BTU). La caloría (o gramo-caloría) es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C; el BTU es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 63 a 64 °F. Una BTU equivale aproximadamente a 252 calorías. Ambas definiciones especifican que los cambios de temperatura deben medirse a una presión constante de una atmósfera, porque las cantidades de energía implicadas dependen en parte de la presión. La caloría que se utiliza para medir el contenido energético de los alimentos es la caloría grande, o kilogramo-caloría, que equivale a 1.000 gramos-calorías.
En general, la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de masa de una sustancia a través de un intervalo de temperatura específico se denomina capacidad calorífica, o calor específico, de dicha sustancia. La cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo un grado varía en función de las restricciones impuestas. Si se añade calor a un gas confinado a volumen constante, la cantidad de calor necesaria para provocar un aumento de temperatura de un grado es menor que si el calor se añade al mismo gas libre para expandirse (como en un cilindro provisto de un pistón móvil) y así realizar trabajo. En el primer caso, toda la energía se destina a elevar la temperatura del gas, pero en el segundo, la energía no sólo contribuye al aumento de la temperatura del gas, sino que también proporciona la energía necesaria para el trabajo realizado por el gas sobre el pistón. Por consiguiente, el calor específico de una sustancia depende de estas condiciones. Los calores específicos más comúnmente determinados son el calor específico a volumen constante y el calor específico a presión constante. Los científicos franceses Pierre-Louis Dulong y Alexis-Thérèse Petit demostraron en 1819 que las capacidades caloríficas de muchos elementos sólidos están estrechamente relacionadas con sus pesos atómicos. La llamada ley de Dulong y Petit fue útil para determinar los pesos atómicos de ciertos elementos metálicos, pero hay muchas excepciones a la misma; posteriormente se descubrió que las desviaciones eran explicables en base a la mecánica cuántica.
Es incorrecto hablar del calor en un cuerpo, porque el calor se restringe a la energía que se transfiere. La energía almacenada en un cuerpo no es calor (tampoco es trabajo, ya que el trabajo también es energía en tránsito). Sin embargo, es habitual hablar de calor sensible y latente. El calor latente, también llamado calor de vaporización, es la cantidad de energía necesaria para transformar un líquido en vapor a temperatura y presión constantes. La energía necesaria para fundir un sólido a un líquido se llama calor de fusión, y el calor de sublimación es la energía necesaria para cambiar un sólido directamente a un vapor, estos cambios también tienen lugar en condiciones de temperatura y presión constantes.
El aire es una mezcla de gases y vapor de agua, y es posible que el agua presente en el aire cambie de fase; es decir, puede convertirse en líquido (lluvia) o en sólido (nieve). Para distinguir entre la energía asociada al cambio de fase (el calor latente) y la energía necesaria para un cambio de temperatura, se introdujo el concepto de calor sensible. En una mezcla de vapor de agua y aire, el calor sensible es la energía necesaria para producir un determinado cambio de temperatura, excluyendo cualquier energía necesaria para un cambio de fase.