- En què consisteix la calor específica?
- Com es calcula la calor específica?
- L'aigua com a referència
- equilibri tèrmic
- desenvolupament matemàtic
- Exemple de càlcul
- exemples
- aigua
- gel
- alumini
- ferro
- aire
- plata
- referències
El calor específica és la quantitat d'energia que ha d'absorbir un gram d'una determinada substància per augmentar la seva temperatura un grau Celsius. Es tracta d'una propietat física intensiva, ja que no depèn de la massa a l'estar expressada únicament per a un gram de substància; però, es relaciona amb el nombre de partícules i la massa molar de les mateixes, així com de les forces intermoleculars que les uneixen.
La quantitat d'energia absorbida per la substància s'expressa en unitats de joule (J), i menys comunament, en calories (Cal). Generalment, s'assumeix que l'energia s'absorbeix a través d'la calor; però, l'energia pot provenir d'una altra font, com un treball realitzat sobre la substància (agitació rigorosa, per exemple).
Aigua bullint. Font: Pixabay
A la imatge superior es mostra una tetera de la qual es desprenen els vapors d'aigua generats per la seva escalfament. Per escalfar l'aigua, aquesta ha d'absorbir calor de la flama situada sota de la tetera. Així, conforme transcorre el temps, i depenent de la intensitat de foc, l'aigua bullirà quan arribi al seu punt d'ebullició.
La calor específica estableix quanta energia consumeix l'aigua per cada grau ºC que augmenti la seva temperatura. Aquest valor és constant si es calientna en la mateixa tetera diferents volums d'aigua, ja que com es va dir a el principi, es tracta d'una propietat intensiva.
El que sí varia és la quantitat total d'energia absorbida per cada massa d'aigua escalfada, coneguda també com la capacitat calorífica. Com més gran sigui la massa d'aigua que es disposa a escalfar (2, 4, 10, 20 litres), major serà la seva capacitat calorífica; però la seva calor específica segueix sent el mateix.
Aquesta propietat depèn de la pressió, temperatura i volum; però, per a fins d'una entesa simple, s'ometen les seves corresponents variacions.
En què consisteix la calor específica?
Es va definir el que significava la calor específica per a una substància determinada. No obstant això, el seu veritable significat queda millor expressat amb la seva fórmula, que deixa clar mitjançant les seves unitats quins són els rebuigs que involucra quan s'analitzen les variables de les que depèn. La seva fórmula és:
Ce = Q / At · m
On Q és la calor absorbida, At el canvi de temperatura, im és la massa de la substància; que d'acord a la definició correspon a un gram. Fent una anàlisi de les seves unitats es té:
Ce = J / ºC · g
Les quals també poden expressar-se de les següents maneres:
Ce = kJ / K · g
Ce = J / ºC · kg
La primera d'elles és la més senzilla, i és amb la qual s'abordaran els exemples en els següents apartats.
La fórmula indica explícitament la quantitat d'energia absorbida (J) per un gram de substància en un grau ºC. Si es volgués aclarir aquesta quantitat d'energia, caldria deixar a un costat de l'equació J:
J = Ce · ºC · g
Que expressat d'una manera més apropiada i d'acord amb les variables seria:
Q = Ce · At · m
Com es calcula la calor específica?
L'aigua com a referència
En la fórmula anterior 'm' no representa un gram de substància, pel fet que ja es troba implícitament a Ce. Aquesta fórmula resulta de molta utilitat per calcular les calors específiques de diverses substàncies a través de la calorimetria.
Com? Emprant la definició de calories, la qual és la quantitat d'energia necessària per escalfar un gram d'aigua de 14,5 fins 15,5ºC; aquesta és igual a 4,184 J.
La calor específica de l'aigua és anormalment alt, i aquesta propietat s'aprofita per mesurar les calors específiques d'altres substàncies coneixent el valor de 4,184 J.
Què vol dir que una calor específica sigui alt? Que oposa una considerable resistència per augmentar la seva temperatura, de manera que ha d'absorbir més energia; és a dir, l'aigua necessita escalfar-se per molt més temps en comparació a altres substàncies, que en les rodalies d'una font de calor s'escalfen gairebé a l'acte.
Per aquesta raó l'aigua s'utilitza en els mesuraments calorimètriques, ja que no experimenta canvis bruscos de temperatura a l'absorbir l'energia despreses de reaccions químiques; o, per a aquest cas, de l'contacte amb un altre material més calent.
equilibri tèrmic
Com l'aigua necessita absorbir molta calor per augmentar la seva temperatura, la calor pot provenir d'un metall calent, per exemple. Tenint en consideració les masses d'aigua i de l'metall, passarà un intercanvi de calor entre els dos fins a aconseguir-el que s'anomena equilibri tèrmic.
Quan això passa, les temperatures de l'aigua i de l'metall s'igualen. La calor despresa pel metall calent és igual a l'absorbit per l'aigua.
desenvolupament matemàtic
Sabent això, i amb l'última fórmula per Q recentment descrita, es té:
Q Aigua = -Q Metall
El signe negatiu indica que la calor s'allibera de el cos més calent (metall) a el cos més fred (aigua). Cada substància posseeix el seu propi calor específica Ce, i la seva massa, de manera que aquesta expressió ha de desenvolupar-se com segueix a continuació:
Q Aigua = Ce Aigua · At Aigua · m Aigua = - (Ce Metall · At Metall · m Metall)
La incògnita és Ce Metall, ja que en l'equilibri tèrmic la temperatura final tant per l'aigua com per al metall és la mateixa; a més, es coneixen les temperatures inicials de l'aigua i de l'metall abans de posar-se en contacte, a l'igual que els seus masses. Per tant, cal aclarir Ce Metall:
Ce Metall = (Ce Aigua · At Aigua · m Aigua) / (-ΔT Metall · m Metall)
Sense oblidar que Ce Aigua és 4,184 J / ºC · g. Si es desenvolupen At Aigua i At Metall, s'haurà (T f - T Aigua) i (T f - T Metall), respectivament. L'aigua s'escalfa, mentre que el metall es refreda, i per això el signe negatiu multiplica a At Metall quedant (T Metall - T f). En cas contrari, At Metall tindria un valor negatiu per ser T f menor (més fred) que T Metall.
L'equació llavors s'expressa finalment d'aquesta manera:
Ce Metall = Ce Aigua · (T f - T Aigua) · m Aigua / (T Metall - T f) · m Metall
I amb ella es calculen les calors específiques.
Exemple de càlcul
Es té una esfera d'un metall estrany que pesa 130g, i amb una temperatura de 90ºC. Aquesta es submergeix en un recipient d'aigua de 100g a 25ºC, dins d'un calorímetre. A l'aconseguir-se el equilibri tèrmic, la temperatura de l'recipient arriba a ser de 40ºC. Calculi el Ce de l'metall.
La temperatura final, T f, és 40ºC. Coneixent les altres dades, es pot llavors determinar Ce directament:
Ce Metall = (4,184 J / ºC · g · (40-25) ºC · 100g) / (90-40) ºC · 130g
Ce Metall = 0,965 J / ºC · g
Notese que la calor específica de l'aigua és al voltant de quatre vegades el de l'metall (4,184 / 0,965).
Quan Ce és molt petit, més gran serà la seva tendència a escalfar-se; la qual, es relaciona amb la seva conductivitat i difusió tèrmiques. Un metall amb major Ce tendirà a alliberar o perdre més calor, quan entra en contacte amb un altre material, en comparació amb un altre metall amb menor Ce.
exemples
Es mostren a continuació calors específiques per a diferents substàncies.
aigua
La calor específica de l'aigua, tal com s'ha dit, és 4,184 J / ºC · g.
Gràcies a aquest valor, pot fer molt de sol a l'oceà i l'aigua amb prou feines s'evaporarà en un grau apreciable. Això porta com a conseqüència que es mantingui una diferència tèrmica que no afecti la vida marina. Per exemple, quan es va a la platja a nedar, encara que fora faci molt de sol, a l'aigua se sent una temperatura menor, més fresca.
L'aigua calenta necessita alliberar així mateix molta energia per refredar-se. En el procés, escalfa les masses d'aire circulants, augmentant una mica les temperatures (temperades) a les regions costaneres durant els hiverns.
Un altre exemple interessant és que si no estiguéssim formats per aigua, un dia al sol podria ser mortal, a causa que les temperatures dels nostres cossos s'elevarien ràpidament.
Aquest valor únic de Ce es deu als ponts d'hidrogen intermoleculars. Aquests absorbeixen calor per trencar-se, per la qual cosa emmagatzemen energia. Fins que no es trenquin, les molècules d'aigua no podran vibrar augmentant l'energia cinètica mitjana, la qual es reflecteix en un increment de la temperatura.
gel
La calor específica de el gel és 2,090 J / ºC · g. A l'igual que el d'l'aigua, té un valor inusualment alt. Això significa que un iceberg, per exemple, necessitaria absorbir una enorme quantitat de calor per augmentar la seva temperatura. No obstant això, alguns icebergs de l'actualitat fins i tot han absorbit la calor necessària per fondre (calor latent de fusió).
alumini
La calor específica de l'alumini és 0,900 J / ºC · g. És una mica inferior a el del metall de l'esfera (0,965 J / ºC · g). Aquí la calor s'absorbeix per fer vibrar els àtoms metàl·lics de l'alumini en les seves estructures cristal·lines, i no molècules individuals unides per forces intermoleculars.
ferro
La calor específica de l'ferro és 0,444 J / ºC · g. A l'ésser menor que el de l'alumini, vol dir que oposa menys resistència a l'escalfar-se; és a dir, davant d'un foc una peça de ferro es posarà a l'roent molt abans que una peça d'alumini.
L'alumini a l'oposar-se més a l'escalfament, manté els aliments calents per més temps quan s'utilitza el famós paper alumini per embolicar els refrigeris.
aire
La calor específica de l'aire és 1,003 J / ºC · g aproximadament. Aquest valor està molt subjecte a les pressions i temperatures per consistir en una barreja gasosa. Aquí la calor s'absorbeix per fer vibrar les molècules de nitrogen, oxigen, diòxid de carboni, argó, etc.
plata
Finalment, la calor específica per a la plata és 0,234 J / ºC · g. De totes les substàncies esmentades, presenta el menor valor de Ce. Això vol dir que davant el ferro i l'alumini, una peça de plata s'escalfaria molt més a el mateix temps que els altres dos metalls. De fet, harmonitza amb la seva alta conductivitat tèrmica.
referències
- Serway & Jewett. (2008). Física: per a ciències i enginyeria. (Setena edició), volum 1, Cengage Learning.
- Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Química. (Vuitena edició). Cengage Learning.
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (05 de novembre del 2018). Specific Heat Capacity in Chemistry. Recuperat de: thoughtco.com
- Eric Weisstein. (2007). Specific Heat. Recuperat de: scienceworld.wolfram.com
- R Nau. (2016). Specific Heat. Geòrgia State University. Recuperat de: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Wikipedia. (2019). Calor específica. Recuperat de: es.wikipedia.org