Calor específica

Calor específica

La capacitat calorífica específica, calor específica o capacitat tèrmica específica és una magnitut física que es definix com la cantitat de calor que cal suministrar a l'unitat de massa d'una substància o sistema termodinàmic per a elevar el seu temperatura en una unitat; esta es medix en vàries escales. En general, el valor de la calor específica depén del valor de la temperatura inicial. Se li representa en la lletra $c$ (minúscula).

De forma anàloga, es definix la capacitat calorífica com la cantitat de calor que es deu suministrar a tota la massa d'una substància per a elevar la seua temperatura en una unitat (kelvin o grau Celsius). Li la representa en la lletra $C$ (mayúscula).

Per lo tant, la calor específica és el cocient entre la capacitat calorífica i la massa, açò és $c=C/m$ a on $m$ és la massa de la substància.

Introducció

La calor específica és una propietat intensiva de la matèria, per lo que és representatiu de cada matèria; pel contrari, la capacitat calorífica és una propietat extensiva representativa de cada cos o sistema particular. (Vore taula en: Calor específica i capacitat calorífica d'alguns materials.)

Quant major és la calor específica de les substàncies, més energia calorífica es necessita per a incrementar la temperatura. Per eixemple, es requerix huit voltes més energia per a incrementar la temperatura d'un lingot de magnesi que per a un lingot de plom de la mateixa massa.

El terme «calor específica» té el seu orige en el treball del físic Joseph Black, qui va realisar variades mides calorimétricas i va usar la frase «capacitat per a la calor». En eixa época la mecànica i la termodinàmica es consideraven ciències independents, per lo que actualment el terme podria semblar inapropiat; tal volta un millor nom podria ser transferència d'energia calorífica específica, pero el terme està massa arraïlat per a ser reemplaçat.

Equacions bàsiques

La capacitat calorífica específica mija ($\hat{c}$) corresponent a un cert interval de temperatures $\Delta T$ es definix en la forma:

a on $Q$ és la transferència d'energia en forma calorífica entre el sistema i el seu entorn o un atre sistema, $m$ és la massa del sistema (s'usa una n quan es tracta de la calor específica molar) i $\Delta T$ és l'increment de temperatura que experimenta el sistema. La calor específica ($c$) corresponent a una temperatura donada $T$ es definix com:

La capacitat calorífica específica ($c$) és una funció de la temperatura del sistema; açò és, $c(T)$. Esta funció és creixent per a la majoria de les substàncies (llevat para els gasos monoatómicos i diatómicos). Açò es deu a efectes quàntics que fan que els modos de vibració estiguen cuantizados i solament estiguen accessibles a mida que aumenta la temperatura. Coneguda la funció $c(T)$, la cantitat de calor associada en un canvi de temperatura del sistema des de la temperatura inicial $T_{\text{i}}$ a la final $T_{\text{f}}$ es calcula per mig de l'integral següent:

En un interval a on la calor específica siga aproximadament constant la fòrmula anterior pot escriure's simplement com:

Cantitat de substància

Quan es medix la calor específica en ciència i ingenieria, la cantitat de substància és a sovint de massa, ya siga en grams o en quilograms, abdós del SI. Especialment en química, no obstant, convé que l'unitat de la cantitat de substància siga el mol en medir la calor específica, el qual és un cert número de molècules o àtoms de la substància. Quan l'unitat de la cantitat de substància és el mol, el terme calor específica molar es pot usar per a referir-se de manera explícita a la mida; o be usar el terme calor específica másico, per a indicar que s'usa una unitat de massa.

Conceptes relacionats

Hi ha dos condicions notablement distintes baix les que es medix la calor específica i estes es denoten en sufixos en la lletra $c$. La calor específica dels gasos normalment es medix baix condicions de pressió constant (Símbol: $c_{\text{p}}$). Les medicions a pressió constant produïxen valors majors que aquelles que es realisen a volum constant ($c_{\text{v}}$), degut a que en el primer cas es realisa un treball d'expansió.

El cocient entre les calors específiques a pressió constant i a volum constant per a una mateixa substància o sistema termodinàmic es denomina coeficient adiabàtic i es designa per mig de la lletra grega $\gamma$ (gamma). Este paràmetro apareix en fòrmules físiques, com per eixemple la de la velocitat del sò en un gas ideal.

La calor específica de les substàncies distintes dels gasos monoatómicos no està donat per constants fixes i pot variar una miqueta depenent de la temperatura. Per lo tant, deu especificar-se en precisió la temperatura a la qual es fa la medició. Aixina, per eixemple, la calor específica de l'aigua exhibix un valor mínim de 4.17542 J/(g·K) [0.99795 calç/(g·K)] per a la temperatura de 34.5 °C, mentres que val 4.21488 J/(g·K) [1.00738 calç/(g·K)] a 0 °C. Per tant, la calor específica de l'aigua varia menys del 1 % respecte del seu valor de 4.184 J/(g·K) [1 calç/(g·K)] a 15 °C, per lo que a sovint se li considera com a constant.

La pressió a la que es medix la calor específica és especialment important per a gasos i líquits.

Capacitat calorífica de sòlits, líquits i gasos

Des de que es varen escomençar a medir la capacitat calorífica de diferents substàncies es varen apreciar algunes generalisacions importants.

• Molts sòlits tenien una capacitat calorífica propenca a 3R d'acort en la llei de Dulong-Petit. El Model de Debye basat en aspectes quàntics del problema de transmissió de calor dins d'una ret cristalina finalment va donar una explicació convincent de la llei empírica de Dulong-Petit.
• Molts gasos tenien capacitats calorífiques cerques a γR/2 (a on γ és un número entero depenent de l'estructura molecular del gas).

Unitats

Unitats de la calor

L'unitat de mida de la calor en el Sistema Internacional és el juliol o joule (J).

A voltes, la caloria (calç) encara s'usa en les aplicacions científiques i tecnològiques. La caloria es definix com la cantitat de calor necessària per a aumentar en 1 °C i a la pressió d'una atmòsfera (1 atm), la temperatura d'un gram d'aigua destilada, en l'interval de 14.5 °C a 15.5 °C. És dir, té una definició basada en la calor específica. Cal fer notar que la caloria no està reconeguda en el Sistema Internacional, de modo que en molts països no es reconeix el seu us en documents oficials, per lo que no és aconsellable el seu us.

En el sistema d'unitats anglosaxó s'usa la BTU, que es definix com la cantitat de calor que es requerix per a elevar un grau Fahrenheit la temperatura d'una lliura d'aigua en condicions atmosfèriques normals. És dir, té la mateixa definició que la caloria utilisant unitats del sistema anglosaxó.

Unitats de calor específica

En el Sistema Internacional d'Unitats, la calor específica s'expressa en juliol per quilogram i per kelvin (J·kg⁻¹·K⁻¹); una atra unitat, no pertanyent a el SI, és la caloria per gram i per grau centígrat (calç·g⁻¹·°C⁻¹). Aixina, la calor específica de l'aigua és aproximadament 1 calç/(g·°C) en un ampli interval de temperatures, a la pressió atmosfèrica; i exactament 1 calç·g⁻¹·°C⁻¹ en l'interval de 14.5 °C a 15.5 °C (per la definició de l'unitat caloria).

En Estats Units, i en atres pocs països a on se seguix utilisant el Sistema Anglosaxó d'Unitats, en aplicacions no científiques, la calor específica se sol medir en BTU (unitat de calor) per lliura (unitat de massa) i grau Fahrenheit (unitat de temperatura).