Unidades SI | julio por kilogramo Kelvin ( J K −1 kg −1 ). |
---|---|
Dimensión | L 2 · T -2 · Θ -1 |
Naturaleza | Tamaño escalar intensivo |
Símbolo habitual |
La capacidad calorífica específica (símbolo habitual c ), calor específico previamente conocido o calor específico es la capacidad calorífica de un material en relación con su masa. Es una cantidad que refleja la capacidad de un material de acumular energía en forma térmica , para una masa dada, cuando su temperatura aumenta. Una alta capacidad calorífica significa que se puede almacenar una gran cantidad de energía, con un aumento relativamente pequeño de temperatura.
La capacidad calorífica específica se expresa en julios por kilogramo Kelvin , símbolo J K −1 kg −1 . Es una cantidad intensiva : es independiente de la cantidad de materia .
La determinación de los valores de la capacidad térmica de las sustancias es una cuestión de calorimetría .
La capacidad calorífica específica está determinada por la cantidad de energía que debe suministrar el intercambio de calor para elevar la temperatura de la masa unitaria de una sustancia en un kelvin (o grado Celsius ) . Por tanto, es una cantidad intensiva igual a la capacidad térmica relacionada con la masa del cuerpo estudiado.
La unidad derivada del Sistema Internacional es entonces el joule por kilogramo-kelvin ( J K −1 kg −1 ). Las unidades base del sistema internacional para expresar el valor de una capacidad calorífica específica son L 2 · T −2 · Θ −1 .
Con respecto a las ecuaciones dimensionales , el joule que tiene por dimensión M · L 2 · T −2 , una capacidad calorífica específica tiene por dimensión: L 2 · T −2 · Θ −1 .
Dependiendo del tipo de transformación termodinámica , consideramos la energía interna de la masa o la entalpía de la masa. Si denotamos por U la energía interna, H la entalpía y m la masa de un cuerpo, que por lo tanto tienen las capacidades térmicas específicas:
La diferencia entre la capacidad calorífica específica a presión constante y la capacidad calorífica específica a volumen constante está relacionada con el trabajo que se debe realizar para expandir el cuerpo en presencia de presión externa. Si a menudo es insignificante para las fases condensadas consideradas poco compresibles y poco expandibles (líquidos o sólidos), la diferencia entre y es importante para los gases.
La capacidad calorífica específica , expresada en julios por metro cúbico-kelvin ( J K −1 m −3 ), es igual a la capacidad calorífica específica multiplicada por la densidad .
Según la teoría cinética de los gases , la energía interna de un mol de gas ideal monoatómico es igual a (3/2) RT , y mayor para los gases cuyas moléculas son poliatómicas; por ejemplo, (5/2) RT para un gas diatómico. El cálculo teórico ya no es posible para moléculas complejas.
La capacidad de masa a volumen constante es así:
La capacidad de masa a presión constante de un gas ideal se puede determinar a partir de la capacidad de masa a volumen constante, ya que la ecuación del gas ideal expresa que:
Y por lo tanto: ,p es la presión, v el volumen de masa , R la constante molar de los gases y M la masa molar del gas considerado.
La diferencia teórica entre estos dos valores da la relación de Mayer :
donde p , V , v , N y T son respectivamente la presión , el volumen , el número de partículas y la temperatura del sistema considerado; es :
,u (la energía de la masa interna) dependiendo solo de la temperatura.
La relación de las dos capacidades de un gas es importante en termodinámica ; se nota gamma :
.Su valor depende de la naturaleza del gas considerado; para un gas ideal, el valor teórico de γ es:
Gas | Masa molar ( kg / mol ) |
Temperatura ( ° C ) |
Masa de calor de capacidad ( J K -1 kg -1 ) |
|
---|---|---|---|---|
Aire | 29 × 10 −3 | 0-100 | 1,004 | 2,48 |
Argón | 39,948 × 10 −3 | 15 | 520 | 1,54 |
Dinitrógeno | 28.013 × 10 −3 | 0-200 | 1.025 | 2,46 |
Dióxido de carbono | 44,01 × 10 −3 | 20 | 650 | 3,44 |
Helio | 4,003 × 10 −3 | 18 | 5.193 | 1,52 |
Dihidrógeno | 2.016 × 10 −3 | dieciséis | 14.300 | 2,46 |
Dioxígeno | 31,999 × 10 −3 | 13-207 | 920 | 2,50 |
Vapor de agua | 18.015 × 10 −3 | 100 | 2.010 | 3,65 |
En general, para los gases ideales, tenemos las siguientes capacidades caloríficas molares (en J K −1 mol −1 ): y .
Sustancia (fase sólida) |
Masa de calor de capacidad ( J K -1 kg -1 ) |
---|---|
Asfalto | 1.021 |
Ladrillo | 840 |
Hormigón | 880 |
Granito | 790 |
Yeso | 1.090 |
Mármol | 880 |
Arena | 835 |
Vidrio | 720 |
Madera | 1200-2700 ≈ |
En el caso de sólidos, a temperatura suficientemente alta, es aplicable la ley de Dulong y Petit y permite en particular encontrar que, a baja temperatura, debido al aporte de fonones . Si el sólido es un metal , debemos sumar el aporte de electrones que es proporcional a la temperatura.
Los coeficientes de expansión de los cuerpos sólidos y líquidos son generalmente lo suficientemente bajos como para que la diferencia entre C p y C V se ignore en la mayoría de las aplicaciones.
Sustancia |
( K ) |
---|---|
Alabama | 398 |
C (diamante) | 1.860 |
Cu | 315 |
Fe | 420 |
K | 99 |
Pb | 88 |
Según la teoría de Debye , la capacidad calorífica molar de un cuerpo sólido simple se puede determinar mediante la fórmula:
con ,
es la temperatura de Debye, que es una característica de cada sustancia,R es la constante molar de los gases ,
y .Esta fórmula se simplifica tanto a baja temperatura como a alta temperatura; en el último caso, encontramos la ley de Dulong y Petit :
La teoría ya no es válida para cuerpos compuestos.
Para sustancias puras (sólidas, líquidas o gaseosas) y a presión constante, se han identificado dos fórmulas empíricas con tres parámetros, para un intervalo de temperatura dado:
o si no .Los valores de los coeficientes se indican en tablas y son característicos de un cuerpo dado.
Para madera seca, por ejemplo, tenemos:
con :
A 20 ° C , se obtienen 1236 J K −1 kg −1 para madera seca.
Para madera húmeda:
donde Hs es la masa de agua relacionada con la masa de madera seca en%.
La capacidad calorífica específica de un sólido se puede medir utilizando un dispositivo de tipo ATD ( análisis termodiferencial ) o DSC ( calorimetría diferencial de barrido ). Se puede definir de la siguiente manera: cuando un sistema pasa de la temperatura T a una temperatura T + d T , la variación de energía interna del sistema d U está vinculada al calor intercambiado δQ de acuerdo con:
siendo p e la presión externa a la que está sometido el sistema y d V la variación de volumen. Si V = cte:
Por otro lado, si la transformación es isobárica (presión constante), se obtiene utilizando la función de entalpía del sistema, la relación:
Si P = cte
con C p la capacidad a presión constante. Por lo tanto, la medición consiste en medir la diferencia de temperatura creada por un intercambio de calor dado, donde el flujo de energía da como resultado una diferencia de temperatura.
El siguiente diagrama ilustra la técnica instrumental utilizada en el caso del primer método (medición de la diferencia de temperatura).
El dispositivo consta de dos "pernos" independientes y un horno. De termopares para medir la temperatura de la superficie superior de las almohadillas en contacto con la muestra y la temperatura del horno. Esto corresponde a la temperatura de medición. Todas las mediciones se realizan utilizando un portamuestras de aluminio vacío en una de las almohadillas. Una primera medición de otro portamuestras de aluminio vacío permite obtener una línea base (en función de la medición de temperatura por los termopares). Luego, una medición de una muestra de referencia de capacidad calorífica específica conocida permite calibrar el dispositivo. Finalmente, se mide la muestra en forma de polvo y se obtiene su capacidad calorífica específica por comparación con la de la muestra de referencia. Para mejorar la precisión de la medición, debe tenerse en cuenta la diferencia de masa entre los dos portamuestras, si procede (la corrección se realiza utilizando la capacidad calorífica específica del aluminio). La principal fuente de error proviene de la calidad del contacto térmico entre la almohadilla y el portamuestras.
Sustancia | Fase | Masa de calor de capacidad ( J K -1 kg -1 ) |
---|---|---|
Aire (seco) | gas | 1,005 |
Aire (saturado de vapor de agua ) | gas | ≈ 1.030 |
Aluminio | sólido | 897 |
Dinitrógeno | gas | 1.042 |
Cobre | sólido | 385 |
Diamante | sólido | 502 |
Dioxígeno | gas | 920 |
Agua | gas | 1.850 |
líquido | 4.185 | |
sólido ( 0 ° C ) | 2.060 | |
Etanol | líquido | 2,460 |
Etilenglicol | líquido | ≈ 2400 a 25 ° C |
Hierro | sólido | 444 |
Grafito | sólido | 720 |
Helio | gas | 5.193 |
Hexano | líquido | 2.267,95 ≈ |
Petróleo | líquido | 2.000 ≈ |
Dihidrógeno | gas | 14.300 |
Latón | sólido | 377 |
Litio | sólido | 3,582 |
Mercurio | líquido | 139 |
Octano | líquido | 1.393,33 |
Oro | sólido | 129 |
Zinc | sólido | 380 |