Calor como forma de energia
Porque todas as muitas formas de energia, incluindo o calor, podem ser convertidas em trabalho, as quantidades de energia são expressas em unidades de trabalho, tais como joules, foot-pounds, kilowatt-hora, ou calorias. Existem relações exactas entre as quantidades de calor adicionadas ou removidas de um corpo e a magnitude dos efeitos sobre o estado do corpo. As duas unidades de calor mais frequentemente utilizadas são a caloria e a unidade térmica britânica (BTU). A caloria (ou grama calórica) é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5 para 15,5 °C; a BTU é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um quilo de água de 63 para 64 °F. Uma BTU é de aproximadamente 252 calorias. Ambas as definições especificam que as mudanças de temperatura devem ser medidas a uma pressão constante de uma atmosfera, porque as quantidades de energia envolvidas dependem em parte da pressão. A caloria utilizada na medição do conteúdo energético dos alimentos é a grande caloria, ou quilograma calórico, igual a 1.000 gramas-calorias.
Em geral, a quantidade de energia necessária para elevar uma massa unitária de uma substância através de um intervalo de temperatura especificado chama-se a capacidade térmica, ou o calor específico, dessa substância. A quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um corpo um grau varia em função das restrições impostas. Se o calor for adicionado a um gás confinado a um volume constante, a quantidade de calor necessária para causar um aumento de temperatura de um grau é menor do que se o calor for adicionado ao mesmo gás livre para se expandir (como num cilindro equipado com um pistão móvel) e assim funcionar. No primeiro caso, toda a energia vai para o aumento da temperatura do gás, mas no segundo caso, a energia não só contribui para o aumento da temperatura do gás, mas também fornece a energia necessária para o trabalho realizado pelo gás no pistão. Consequentemente, o calor específico de uma substância depende destas condições. Os calores específicos mais frequentemente determinados são o calor específico a volume constante e o calor específico a pressão constante. As capacidades caloríficas de muitos elementos sólidos demonstraram estar estreitamente relacionadas com os seus pesos atómicos pelos cientistas franceses Pierre-Louis Dulong e Alexis-Thérèse Petit, em 1819. A chamada lei de Dulong e Petit foi útil na determinação dos pesos atómicos de certos elementos metálicos, mas existem muitas excepções; os desvios foram mais tarde encontrados para serem explicáveis com base na mecânica quântica.
É incorrecto falar do calor num corpo, porque o calor está restrito à energia a ser transferida. A energia armazenada num corpo não é calor (nem funciona, pois o trabalho também é energia em trânsito). É costume, no entanto, falar de calor sensível e latente. O calor latente, também chamado calor de vaporização, é a quantidade de energia necessária para mudar um líquido para um vapor a temperatura e pressão constantes. A energia necessária para fundir um sólido a um líquido chama-se calor de fusão, e o calor de sublimação é a energia necessária para mudar um sólido directamente para um vapor, estas mudanças também ocorrem em condições de temperatura e pressão constantes.
Air é uma mistura de gases e vapor de água, e é possível que a água presente no ar mude de fase; ou seja, pode tornar-se líquida (chuva) ou sólida (neve). Para distinguir entre a energia associada à mudança de fase (o calor latente) e a energia necessária para uma mudança de temperatura, foi introduzido o conceito de calor sensível. Numa mistura de vapor de água e ar, o calor sensível é a energia necessária para produzir uma determinada mudança de temperatura, excluindo qualquer energia necessária para uma mudança de fase.