El volum específic és una propietat intensiva característica de cada element o material. Es defineix matemàticament com la relació entre el volum ocupat per una determinada quantitat de matèria (un quilogram o un gram); en altres paraules, és el recíproc de la densitat.
La densitat assenyala quant pesa 1 mL de matèria (líquida, sòlida, gasosa, o una barreja homogènia o heterogènia), mentre que el volum específic es refereix a el volum que ocupa 1 g (o 1 kg) de la mateixa. Així, coneixent la densitat d'una substància, només cal calcular el recíproc per determinar el seu volum específic.
A què fa referència la paraula «específic»? Quan una propietat qualsevol es diu que és específica significa que és expressada en funció de la massa, el que permet la seva transformació d'una propietat extensiva (que depèn de la massa) a una intensiva (contínua en tots els punts de sistema).
Les unitats en què normalment s'expressen el volum específic són (m 3 / kg) o (cm 3 / g). No obstant això, tot i que aquesta propietat no depèn de la massa, sí que ho fa d'altres variables, com la temperatura o la pressió incidents sobre la substància. Això fa que un gram de substància ocupi més volum a majors temperatures.
De l'aigua
A la primera imatge s'aprecia una gota d'aigua a punt de barrejar-se amb la superfície de el líquid. A causa de que, naturalment, és una substància, la seva massa ocupa volum com qualsevol altra. Aquest volum macroscòpic és producte de l'volum i les interaccions de les seves molècules.
La molècula d'aigua té per fórmula química H 2 O, amb una massa molecular de 18g / mol aproxidamente. Les densitats que presenta depenen també de la temperatura, ia una macroescala es considera que la distribució de les seves molècules és el més homogènia possible.
Amb els valors de densitat ρ a una temperatura T, per calcular el volum específic de l'aigua líquida és suficient amb aplicar la fórmula:
v = (1 / ρ)
Es calcula determinant experimentalment la densitat de l'aigua mitjançant un picnòmetre i després realitzant el càlcul matemàtic. A causa de que les molècules de cada substància són diferents unes de les altres, de la mateixa manera ho serà el volum específic resultant.
Si la densitat de l'aigua en un interval ampli de temperatures és de 0,997 kg / m 3, el seu volum específic és 1,003 m 3 / kg.
De l'aire
L'aire és una mescla homogènia gasosa, composta principalment per nitrogen (78%), seguit per oxigen (21%) i finalment per altres gasos de l'atmosfera terrestre. La seva densitat és una expressió macroscòpica de tota aquesta barreja de molècules, les quals no interaccionen eficientment i es propaguen en totes direccions.
A causa de que s'assumeix que la substància és contínua, la seva propagació en un envàs no modifica la seva composició. Novament, midiéndole la densitat a les condicions descrites de temperatura i pressió, es pot determinar quin volum ocupa 1 g d'aire.
Com el volum específic es 1 / ρ, i el seu ρ és més petita que la de l'aigua, llavors el seu volum específic és més gran.
L'explicació d'aquest fet es sustenta en les interaccions moleculars de l'aigua davant les de l'aire; aquest últim, fins i tot en el cas d'humitat, no condensa a menys que se li sotmeti a temperatures molt fredes i altes pressions.
De el vapor
Sota les mateixes condicions ocuparà un gram de vapor un volum més gran que el d'un gram d'aire? L'aire és més dens que l'aigua en fase gasosa, a causa que és una barreja de gasos esmentats anteriorment, a diferència de les molècules d'aigua.
Com el volum específic és l'invers de la densitat, un gram de vapor ocupa més volum (és menys dens) que un gram d'aire.
Les propietats físiques d'el vapor com a fluid són indispensables en nombrosos processos industrials: dins dels intercanviadors de calor, per augmentar la humitat, netejar maquinàries, entre d'altres més.
Hi ha moltes variables de tenir en consideració a l'hora de manipular grans quantitats de vapor dins de la indústries, sobretot referents a la mecànica dels fluids.
De el nitrogen
Com la resta dels gasos, la seva densitat depèn considerablement de la pressió (a diferència dels sòlids i líquids) i de la temperatura. Així, els valors per el seu volum específic varien d'acord amb aquestes variables. D'aquí sorgeix la necessitat de determinar el seu volum específic per expressar el sistema en termes de propietats intensives.
Sense valors experimentals, a través de raonaments moleculars, és difícil comparar la densitat de l'nitrogen enfront de la d'altres gasos. La molècula de nitrogen és lineal (N≡N) i la de l'aigua és angular.
Com una "línia" ocupa menys volum que un "bumerang", llavors pot esperar-se que per la definició de densitat (m / V) el nitrogen sigui més dens que l'aigua. Utilitzant una densitat de 1,2506 Kg / m 3, el volum específic a les condicions en què es va mesurar aquest valor és de 0,7996 m 3 / kg; simplement és el recíproc (1 / ρ).
De el gas ideal
El gas ideal és aquell que obeeix l'equació:
P = nRT / V
Es pot observar que l'equació no considera cap variable com l'estructura ni el volum molecular; tampoc considera com les molècules de gas interaccionen unes amb les altres en un espai definit pel sistema.
En un rang limitat de temperatures i pressions, tots els gasos es "comporten" iguals; per aquesta raó és vàlid fins a cert punt assumir que obeeixen l'equació dels gasos ideals. Així, a partir d'aquesta equació es poden determinar diverses propietats dels gasos, entre aquestes el volum específic.
Per aclarir-cal expressar l'equació en termes de les variables de la densitat: la massa i el volum. Els mols es representen amb n, i aquests són el resultat de dividir la massa de gas entre la seva massa molecular (m / M).
Tenint la variable massa m en l'equació, si es divideix entre el volum pot obtenir-se la densitat; a partir d'aquí només cal aclarir la densitat i després "voltejar" banda i banda de l'equació. Fent això, es determina finalment el volum específic.
La imatge inferior il·lustra cadascun dels passos per arribar a l'expressió final de l'volum específic d'un gas ideal.
referències
- Wikipedia. (2018). Specific volum. Pres de: en.wikipedia.org
- Study.com. (21 d'agost del 2017). Què és el Specific Volume? - Definition, Formula & Units Pres de: study.com
- NASA. (05 de maig de 2015). Specific Volume. Pres de: grc.nasa.gov
- Michael J. Moran & Howard N. Shapiro. (2004). Fonaments de termodinàmica tècnica. (2dóna Edició). Editorial Reverté, pàgina 13.
- Tema 1: Conceptes de la termodinàmica.. Pres de: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). Inici Applications for Steam. Pres de: tlv.com