Calor específica

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

A calor específica é unha magnitude física que se define como a cantidade de calor que hai que subministrar á unidade de masa dunha substancia ou sistema termodinámico para elevar a súa temperatura en unha unidade (kelvin ou grao Celsius). En xeral, o valor da calor específica depende da temperatura inicial.[1] Represéntase coa letra .

De forma análoga, defínese a capacidade calorífica como a cantidade de calor que hai que subministrar a toda a masa dunha substancia para elevar a súa temperatura nunha unidade (kelvin ou grao Celsius). Represéntase coa letra .

Polo tanto, a calor específica é a capacidade calorífica específica, isto é onde é a masa da substancia.[1]

Introdución[editar | editar a fonte]

A calor específica é unha propiedade intensiva da materia, polo que é representativa de cada materia; pola contra, a capacidade calorífica é unha propiedade extensiva, representativa de cada corpo ou sistema particular.[2]

Canto maior é a calor específica das substancias, máis enerxía calorífica se necesita para incrementar a temperatura. Por exemplo, se require oito veces máis enerxía para incrementar a temperatura dun lingote de magnesio que para un lingote de chumbo da mesma masa.[3]

O termo "calor específica" ten a súa orixe nos traballos do físico británico Joseph Black,[4] que realizou variadas medidas calorimétricas e usou a frase "capacidade para a calor".[5] Na súa época a mecánica e a termodinámica considerábanse ciencias independentes, polo que actualmente o termo podería parecer inapropiado; talvez un mellor nome podería ser transferencia de enerxía calorífica específica, pero o termo clásico está demasiado arraigado como para ser cambiado.[6]

Ecuacións básicas[editar | editar a fonte]

A calor específica media () correspondente a un certo intervalo de temperaturas defínese na forma:


onde é a transferencia de enerxía en forma calorífica entre o sistema e o seu entorno ou outro sistema, é a masa do sistema (úsase un n cando se trata da calor específica molar) e é o incremento de temperatura que experimenta o sistema.

A calor específica () correspondente a unha temperatura dada defínese como:


A calor específica () é unha función da temperatura do sistema; isto é, . Esta función é crecente para a maioría das substancias (excepto para os gases monoatómicos e diatómicos). Isto débese a efectos cuánticos que fan que os modos de vibración estean cuantizados e só van sendo accesíbeis a medida que aumenta a temperatura. Coñecida a función , a cantidade de calor asociada cun cambio de temperatura do sistema desde a temperatura inicial á final calcúlase mediante a integral seguinte:


Nun intervalo onde a capacidade calorífica sexa aproximadamente constante a fórmula anterior pode escribirse simplemente como:


Cantidade de substancia[editar | editar a fonte]

Cando se mide a calor específica en ciencia e enxeñaría como cantidade de materia úsase frecuentemente a masa, ben expresada en gramos ou en quilogramos, ambas as unidades do SI. Pero especialmente en química, porén, convén empregar, para medir a calor específica, a unidade de cantidade de substancia, o mol.[7] Cando a unidade da cantidade de materia é o mol, o termo calor específica molar pódese usar para referirse de maneira explícita a esta medida, ou ben podemos usar, no outro caso, o termo calor específica másica para indicar que se usa unha unidade de masa (e non de cantidade de substancia).

Conceptos relacionados[editar | editar a fonte]

Hai dúas condicións notabelmente distintas baixo as que se mide a calor específica, que se notan con subíndices na letra . A calor específica dos gases mídese normalmente baixo condicións de presión constante (Símbolo: ). Das medicións a presión constante resultan valores maiores que os de aquelas que se realizan a volume constante (), debido a que no primeiro caso realízase un traballo de expansión.

O cociente entre as calores específicas a presión constante e a volume constante para unha mesma substancia ou sistema termodinámico denomínase coeficiente (de dilatación) adiabático, e desígnase mediante a letra grega (gamma).[8] Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por exemplo a da velocidade do son nun gas ideal.

A calor específica das substancias distintas dos gases monoatómicos non vén dada por constantes fixas e pode variar un pouco dependendo da temperatura.[9] Polo tanto, debe especificarse con precisión a temperatura á cal se fai a medición. Así, por exemplo, a calor específica da auga presenta un valor mínimo de 0,99795 cal/g·K para a temperatura de 34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/g·K a 0 °C. Por conseguinte, a calor específica da auga varía menos do 1 % respecto do seu valor de 1 cal/g·K a 15 °C, polo que a miúdo se considera como constante.

A presión á que se mide a calor específica é especialmente importante para gases e líquidos.

Unidades[editar | editar a fonte]

Unidades de calor[editar | editar a fonte]

A unidade de medida da calor no Sistema Internacional é o joule (J).[10] A caloría (cal), usada antigamente, tamén se usa hoxe frecuentemente nas aplicacións científicas e tecnolóxicas. A caloría defínese como a cantidade de calor necesaria para aumentar en 1 °C a temperatura de un gramo de auga destilada, no intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C. É dicir, ten unha definición baseada na calor específica.

Unidades de calor específica[editar | editar a fonte]

No Sistema Internacional de Unidades, a calor específica exprésase en joules por quilogramo e por kelvin (J·kg−1·K−1); outra unidade, non pertencente ao SI, é a caloría por gramo e por kelvin (cal·g−1·K−1). Así, a calor específica da auga é aproximadamente 1 cal/(g·K) nun amplo intervalo de temperaturas, á presión atmosférica; e exactamente 1 cal·g−1·K−1 no intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (pola definición da unidade caloría).

Nos Estados Unidos, e noutros poucos países onde segue a utilizarse o Sistema inglés ou Sistema anglosaxón de unidades', en aplicacións non científicas,[11] a calor específica adoita medirse en BTU[12] (unidade de calor) por libra [13] (unidade de masa) e o grao Fahrenheit (unidade de temperatura).

A BTU defínese como a cantidade de calor que se require para elevar nun grao Fahrenheit a temperatura dunha libra de auga en condicións atmosféricas normais.

Factores que afectan á calor específica[editar | editar a fonte]

Graos de liberdade[editar | editar a fonte]

Artigo principal: Graos de liberdade.
As moléculas teñen unha estrutura interna porque están compostas de átomos que teñen diferentes formas de moverse nas moléculas. A enerxía cinética almacenada nestes graos de liberdade internos non contribúe á temperatura da substancia senón á súa calor específica.

O comportamento termodinámico das moléculas dos gases monoatómicos, como o helio, e dos gases diatómicos, como o hidróxeno, é moi diferente. Nos gases monoatómicos, a enerxía interna corresponde unicamente a movementos de translación. Os movementos translacionais son movementos de corpo completo nun espazo tridimensional no que as partículas se moven e intercambian enerxía en colisións en forma similar a como o farían pelotas de goma encerradas nun recipiente que se axitara con forza. (véxase a animación aquí). Estes movementos simples nos eixes dimensionais X, Y, e Z implican que os gases monoatómicos só teñen tres graos de liberdade translacionais.

As moléculas con maior atomicidade, en cambio, teñen varios graos de liberdade internos adicionais, rotacionais e vibracionais, xa que son obxectos complexos. Compórtanse como unha poboación de átomos que poden moverse dentro dunha molécula de distintas formas (véxase a animación á dereita). A enerxía interna almacénase nestes movementos internos. Por exemplo, o nitróxeno, que é unha molécula diatómica, ten cinco graos de liberdade dispoñíbeis: os tres translacionais máis dous rotacionais de liberdade interna.

Cabe destacar que a capacidade calorífica molar a volume constante dos gases monoatómicos é , sendo R a constante universal dos gases ideais, mentres que para o nitróxeno (diatómico) vale , o cal mostra claramente a relación entre os graos de liberdade e a calor específica.

Masa molar[editar | editar a fonte]

Artigo principal: Masa molar.

Unha das razóns polas que a calor específica adopta diferentes valores para diferentes substancias é a diferenza en masas molares, que é a masa de un mol de calquera elemento, a cal é directamente proporcional á masa molecular do elemento, suma dos valores das masas atómicas da molécula en cuestión. A enerxía calorífica almacénase grazas á existencia de átomos ou moléculas vibrando. Se unha substancia ten unha masa molar máis lixeira, entón cada gramo dela ten máis átomos ou moléculas dispoñíbeis para almacenaren enerxía. É por iso polo que o hidróxeno, a substancia coa menor masa molar, ten unha calor específica tan elevada; porque un gramo desta substancia contén unha cantidade moi grande de moléculas.

Unha consecuencia deste fenómeno é que, cando se mide a calor específica en termos molares, a diferenza entre substancias faise menos pronunciada, e a calor específica do hidróxeno deixa de ser atípica. En forma correspondente, as substancias moleculares (que tamén absorben calor nos seus graos internos de liberdade), poden almacenar grandes cantidades de enerxía por mol se se trata de moléculas grandes e complexas e, en consecuencia, a súa calor específica medida en termos másicos é menos notábel.

Xa que a densidade media dun elemento químico está moi relacionada coa súa masa molar, existe, en termos xerais, unha gran correlación inversa entre a densidade dun sólido e a súa cp (calor específica a presión constante medida en termos másicos). Grandes lingotes de sólidos de baixa densidade tenden a absorberen máis calor que un lingote pequeno dun sólido da mesma masa, pero de maior densidade, xa que o primeiro polo xeral contén máis átomos. En consecuencia, en termos xerais, hai unha correlación próxima entre o volume dun elemento sólido e a súa capacidade calorífica total. Existen, porén, moitas desviacións desta correlación xeral.

Enlaces por pontes de hidróxeno[editar | editar a fonte]

Artigo principal: Ponte de hidróxeno.

As moléculas que teñen enlaces polares de hidróxeno teñen a capacidade de almacenar enerxía calorífica nestes enlaces, coñecidos como pontes de hidróxeno.

Impurezas[editar | editar a fonte]

No caso das aliaxes, hai certas condicións nas cales pequenas cantidades de impurezas poden alterar en gran medida a calor específica medida. As aliaxes poden mostrar unha marcada diferenza no seu comportamento incluso se a impureza en cuestión é un dos elementos que forman a aliaxe; por exemplo, as impurezas en aliaxes semicondutoras ferromagnéticas poden levar a medicións moi diferentes, tal como predixeron por primeira vez White e Hogan.[14]

Táboa de calores específicas[editar | editar a fonte]

Substancia Fase cp
(másico)
kJ·kg−1·C°−1
cp
(molar)
J·mol−1·K−1
cv
(molar)
J·mol−1·K−1
Capacidade calorífica
volumétrica

J cm−3 K−1
Gases monoatómicos (ideais) gas R = 20,8 R = 12,5
Argon gas 0,5203 20,8 12,5
Helio gas 5,1932 20,8 12,5
Gases diatómicos (ideais) gas R = 29.1 R = 20.8
Hidróxeno gas 14,30 28,82 20.4
Nitróxeno gas 1,040 29,12 20,8
oxíxeno gas 0,918 29,4 21,1
Aire (en condicións normais[15]) gas 1,012 29,19
Aluminio sólido 0,897 24,2 2,422
Amoníaco líquido 4,700 80,08 3,263
Antimonio sólido 0,207 25,2 1,386
Arsénico sólido 0,328 24,6 1,878
Auga gas (100 °C) 2,080 37,47 28,03
Auga líquido (25 °C) 4,1813 75,327 74,53 4,184
Auga sólido (0 °C) 2,114 38,09 1,938
Berilio sólido 1,82 16,4 3,367
Chumbo sólido 0,129 26,4 1,44
Cobre sólido 0,385 24,47 3,45
Diamante sólido 0,5091 6,115 1,782
Etanol líquido 2,44 112 1,925
Ferro sólido 0,450 25,1 3,537
Gasolina líquido 2,22 228
Grafito sólido 0,710 8,53 1,534
Litio sólido 3,58 24,8 1,912
Magnesio sólido 1,02 24,9 1,773
Mercurio líquido 0,1395 27,98 1,888
Neon gas 1,0301 20,7862 12,4717
Ouro sólido 0,1291 25,42 2,492
Parafina sólido 2,5 900 2,325
Sílice sólido 0,703 42,2 1,547
Uranio sólido 0,116 27,7 2,216
Todas as medidas son a 25 °C a menos que se indique o contrario,
Os mínimos e máximos notábeis móstranse en negra.

Materiais de construción[editar | editar a fonte]

Estes datos son de utilidade para calcular os efectos da calor sobre os materiais que formen un edificio:

Substancia Estado de agregación cp
J g−1 K−1
Area sólido 0,835
Asfalto sólido 0,92
Formigón sólido 0,88
Granito sólido 0,790
Ladrillo sólido 0,84
Madeira sólido 0,48
Mármore sólido 0,880
Solo (terra) sólido 0,80
Vidro, sílice sólido 0,84
Vidro, crown sólido 0,67
Vidro, flint sólido 0,503
Vidro, pyrex sólido 0,876
Xeso sólido 1,09

Notas[editar | editar a fonte]

  1. 1,0 1,1 Resnik, Halliday & Krane (2002): Física Volumen 1. Cecsa. ISBN 970-24-0257-3
  2. Chica, Luis (2004): Calorimetría monografias.com (en castelán)
  3. Dividindo a calor específica másica do magnesio entre 8 e poderá comprobarse que é moi próximo a oito veces o do chumbo. A calor especifica da auga é igual a 0,99795 cal/g·K.
  4. Joseph Black (Bordeos, 19 de abril de 1728 - Edimburgo, 10 de novembro de 1799) foi un médico, físico e químico escocés. As súas investigacións máis importantes centráronse no campo da termodinámica, onde estableceu unha clara distinción entre a calor e a temperatura, e introduciu conceptos como a calor específica e a calor latente de cambio de estado. Ademais, débeselle o descubrimento do dióxido de carbono.
  5. Laider, Keith, J. (1993): The World of Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0-19-855919-4
  6. Serway Jewet (2003): Física 1. Thomson. ISBN 970-686-339-7
  7. Catarroja & Ferreira (2008): Termodinámica fisicafacil.com
  8. Primeiro principio da termodinámica (en castelán)
  9. Pode notarse que a calor específica (molar) dos gases monoatómicos se comporta de acordo a certas constantes, mentres que os valores preditos para outros gases non se axustan coa mesma precisión.
  10. Rec ordemos que a calor é unha forma da enerxía.
  11. O SI é de uso obrigatorio, por lei, en todos os países, para a ciencia.
  12. British thermal unit
  13. Pound (pd). De acordo co Standards Department of the Board of Trade and the Bureau International do Reino Unido, 1 pd = 0,4535924277 kg aproximadamente e, desde a Orde de maio de 1898 do Consello deste organismo, o valor legal é, arredondando, de 0,45359243 kg. Nos Estados Unidos, desde a Mendenhall Order de 1893, a relación entre pound e quilogramo estableceuse en 2,20462 pd/kg; en 1894 a relación especificouse en 2,20462234 pd/kg (o cambio efectuouse para aproximarse á British pound ou International pound; de acordo co National Institute of Standards and Technology (NIST), coñecido entre 1901 e 1988 como National Bureau of Standards (NBS), axencia do departamento de Comercio dos Estados Unidos, a libra internacional difire da dos EE.UU. en aproximadamente 10 ppm (10 partes por millón), diferenza insignificante que pode desprezarse para a maioría dos propósitos prácticos.
  14. C. Michaerl Hogan (1969): "Density of States of an Insulating Ferromagnetic Alloy" in Phys. Rev. 188, 870 - 874, (2?, decembro 1969. prola.aps.org (en inglés)
  15. Supoñendo unha altitude de 194 metros (o promedio da poboación mundial), unha temperatura de 23 °C, un 40,85 % de humidade e 760 mmHg de presión.

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Bibliografía[editar | editar a fonte]

  • Resnik, Robert (2002). "Primera Ley de la Termodinámica". Física 1. México D.F.: CECSA. ISBN 970-24-0257-3. 
  • Raymond A., Serway; Jewet, John W. (2003). "Calor específico". Física 1. México D.F.: Thomson. ISBN 970-686-339-7. 

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]