- Concepte i fórmules
- El coeficient adiabàtic γ
- Capacitat calorífica C
- Calor específica en sòlids, líquids i gasos
- Diferència amb calor latent
- Com calcular la calor latent?
- exercicis resolts
- exemple 1
- solució
- exemple 2
- solució
- exemple 3
- solució
- referències
El calor sensible és l'energia tèrmica subministrada a un objecte fent que augmenti la seva temperatura. És el contraposat a calor latent, en què l'energia tèrmica no augmenta la temperatura sinó que promou un canvi de fase, per exemple de sòlid a líquid.
Un exemple aclareix el concepte. Suposem que tenim una olla amb aigua a temperatura ambient de 20 ° C. Quan la col·loquem a la fogons, la calor subministrat augmenta la temperatura d'l'aigua lentament fins arribar als 100 ° C (temperatura d'ebullició de l'aigua a nivell de la mar). La calor subministrat s'anomena calor sensible.
La calor que escalfa les mans és calor sensible. Font: Pixabay
Una vegada que l'aigua arriba a la temperatura d'ebullició, la calor subministrat per la fogons ja no eleva més la temperatura de l'aigua, que es manté en 100 ° C. En aquest cas l'energia tèrmica subministrada s'inverteix en evaporar l'aigua. La calor subministrat és latent perquè no va elevar la temperatura, sinó que va provocar un canvi de la fase líquida a la fase gasosa.
És un fet experimental que la calor sensible necessari per aconseguir certa variació de temperatura és directament proporcional a aquesta variació ia la massa d'l'objecte.
Concepte i fórmules
S'ha observat que a part de la massa i la diferència de temperatura, la calor sensible depèn també de l'material. Per aquesta raó, la constant de proporcionalitat entre la calor sensible i el producte de la massa per la diferència de temperatura rep el nom de calor específica.
La quantitat de calor sensible subministrada depèn també de com es dugui a terme el procés. Per exemple, és diferent si el procés es porta a terme a volum constant que a pressió constant.
La fórmula per la calor sensible en un procés isobàric, és a dir a pressió constant, és la següent:
Q = cp. m (T f - T i)
En l'equació anterior Q és la calor sensible subministrat a l'objecte de massa m, que ha elevat la seva temperatura inicial T i fins al valor final Tf. En l'equació anterior també apareix cp, que és la calor específica de l'material a pressió constant perquè el procés s'ha dut a terme d'aquesta manera.
Cal notar també que la calor sensible és positiu quan és absorbit per l'objecte i causa una elevació de la temperatura.
En el cas que se subministri calor a un gas tancat en un recipient rígid, el procés serà isocórico, és a dir, a volum constant; i la fórmula de la calor sensible s'escriurà així:
Q = c v. m. (T f - T i)
El coeficient adiabàtic γ
El quocient entre la calor específica a pressió constant i la calor específica a volum constant per a un mateix material o substància rep el nom de coeficient adiabàtic, el qual generalment es denota amb la lletra grega gamma γ.
El coeficient adiabàtic és més gran que la unitat. La calor necessària per elevar en un grau la temperatura d'un cos d'un gram de massa és major en un procés isobàric que en un isocórico.
Això es deu al fet que en el primer cas part de la calor s'utilitza per efectuar treball mecànic.
A més de la calor específica, se sol definir també la capacitat calorífica d'un cos. Aquesta és la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d'aquest cos un grau centígrad.
Capacitat calorífica C
La capacitat calorífica es denota amb C majúscula, mentre la calor específica amb c minúscula. La relació entre ambdues quantitats és:
C = c⋅ m
On m és la massa de el cos.
També s'usa la calor específica molar, que es defineix com la quantitat de calor sensible necessària per elevar en un grau celsius o kelvin de temperatura a un mol de substància.
Calor específica en sòlids, líquids i gasos
La calor específica molar de la majoria dels sòlids té un valor proper als 3 vegades R, on R és la constant universal dels gasos. R = 8,314472 J / (mol ℃).
Per exemple, l'alumini té calor específica molar 24,2 J / (mol ℃), el coure 24,5 J / (mol ℃), l'or 25,4 J / (mol ℃), i el ferro dolç 25,1 J / (mol ℃). Noti que aquests valors són propers a 3R = 24,9 J / (mol ℃).
En canvi, per a la majoria dels gasos la calor específica molar és a prop de n (R / 2), on és n un nombre enter i R és la constant universal dels gasos. El nombre enter n està relacionat amb el nombre de graus de llibertat de la molècula que conforma el gas.
Per exemple en un gas ideal monoatòmic, la molècula només té els tres graus de llibertat traslacionals, la calor específica molar a volum constant és 3 (R / 2). Però si és un gas ideal diatòmic s'han addicionalment dos graus rotacionals, per la qual cosa cv = 5 (R / 2).
En els gasos ideals es compleix la següent relació entre la calor específica molar a pressió constant i volum constant: cp = cv + R.
Cal destacar especialment l'aigua. En estat líquid a 25 ℃ l'aigua té cp = 4,1813 J / (g ℃), el vapor d'aigua a 100 graus centígrads té cp = 2,080 J / (g ℃) i el gel d'aigua a zero grau celsius té cp = 2,050 J / (g ℃).
Diferència amb calor latent
La matèria pot trobar-se en tres estats: sòlid, líquid i gasós. Per canviar d'estat es requereix energia, però cada substància respon a ella d'una manera diferent d'acord les seves característiques moleculars i atòmiques.
Quan un sòlid es fon o un líquid s'està evaporant, la temperatura de l'objecte roman constant fins que totes les partícules han canviat el seu estat.
Per això, és possible que una substància es trobi alhora en equilibri en dues fases: sòlid - líquid o líquid - vapor, per exemple. Una quantitat de la substància pot passar d'un estat a un altre afegint o traient una mica de calor, mentre la temperatura es manté fixa.
La calor subministrat a un material fa que les seves partícules vibrin amb més rapidesa i augmentin la seva energia cinètica. Això es tradueix en una elevació de la temperatura.
És possible que l'energia que adquireixen sigui tan gran que ja no tornin a la seva posició d'equilibri i augmenti la separació entre elles. Quan això passa la temperatura no augmenta, sinó que la substància passa de sòlid a líquid o de líquid a gas.
A la calor necessària perquè això succeeixi se li coneix com a calor latent. Per tant, la calor latent és la calor mitjançant el qual una substància pot canviar de fase.
Aquí està la diferència amb la calor sensible. Una substància que absorbeix calor sensible augmenta la seva temperatura i roman en el mateix estat.
Com calcular la calor latent?
La calor latent es calcula mitjançant l'equació:
On L pot ser la calor específica de vaporització o el de fusió. Les unitats de L són d'energia / massa.
Els científics li han donat nombroses denominacions a la calor, depenent de el tipus de reacció en què participa. Així per exemple està la calor de reacció, la calor de combustió, la calor de solidificació, la calor de solució, la calor de sublimació i molts altres.
Els valors de molts d'aquests tipus de calor per diferents substàncies es troben tabulats.
exercicis resolts
exemple 1
Suposi un que té un tros d'alumini de 3 kg de massa. Inicialment està a 20 ° C i es vol elevar la seva temperatura fins a 100 ° C. Calculeu la calor sensible necessari.
solució
En primer lloc necessitem conèixer la calor específica de l'alumini
cp = 0,897 J / (g ºC)
Llavors, la quantitat de calor necessària per escalfar el tros d'alumini serà
Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J
Q = 215.280 J
exemple 2
Calculeu la quantitat de calor necessària per escalfar 1 litre d'aigua des de 25 ° C fins a 100 ° C a nivell de la mar. Expresseu el resultat també en quilocalories.
solució
El primer que hem de recordar és que 1 litre d'aigua pesa 1 kg, és a dir 1000 grams.
Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313.597,5 J
La caloria és una unitat d'energia que es defineix com la calor sensible necessari per elevar en un grau celsius un gram d'aigua. Per tant, 1 caloria equival a 4,1813 Joules.
Q = 313.597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 calç = 75 kcal.
exemple 3
Un tros de material d'360,16 grams s'escalfa de 37 ℃ fins a 140 ℃. L'energia tèrmica subministrada és de 1150 calories.
Escalfant la mostra. Font: elaboració pròpia.
Trobi la calor específica de l'material.
solució
Podem escriure la calor específica en funció de la calor sensible, la massa i la variació de la temperatura segons la fórmula:
cp = Q / (m At)
Substituint les dades ens queda el següent:
cp = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)
Però com una caloria equival a 4,1813 J, el resultat també pot expressar-se com
cp = 0,130 J / (g ℃)
referències
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 th. Ed. Prentice Hall. 400-410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6 ta Edició abreujada. Cengage Learning. 156-164.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptes i Aplicacions. 7dt. Edició revisada. McGraw Hill. 350-368.
- Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson. 309 - 332.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14 th. Volume1. 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fonaments de Física. 9 na Cengage Learning. 362-374.