¿Alguna vez has notado cómo el agua está helada, pero la arena se calienta mientras estás en la playa? ¿Por qué hay tanta variación de temperatura cuando el sol es el mismo? ¡Debes haberlo pensado! Cuando aplicamos calor a un elemento sólido o líquido, su temperatura aumenta. Si se aplica la misma cantidad de calor a dos tipos distintos de materiales, los aumentos de temperatura en cada sólido pueden diferir. Como resultado, el aumento de temperatura para diferentes tipos de sólidos varía según la composición del sólido. La capacidad calorífica específica es el nombre de estos fenómenos.
¿Qué es la capacidad calorífica?
La capacidad calorífica es una medida de la energía interna total de un sistema. Esto comprende la energía cinética general del sistema, así como la energía potencial de las moléculas. Se ha demostrado que la energía interna de un sistema puede alterarse ya sea dándole energía térmica o realizando un trabajo sobre él. Se muestra que la energía interna de un sistema crece a medida que aumenta la temperatura. Este aumento de la energía interna se ve afectado por las diferencias de temperatura, la cantidad de sustancia presente, etc.
La cantidad de energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de una determinada cantidad de materia en un grado Celsius se conoce como Capacidad Calorífica . La capacidad calorífica de una sustancia dada varía con su tamaño o cantidad, lo que la convierte en una propiedad extensiva.
Matemáticamente, la capacidad calorífica está dada por:
Q = C ΔT
donde Q es la cantidad de energía calorífica necesaria para causar un cambio de temperatura de ΔT y C es la capacidad calorífica del sistema bajo consideración.
La unidad de capacidad calorífica es Joule por Kelvin (J/K) o Joule por grado Celsius (J/°C).
Capacidad calorífica específica
La capacidad calorífica específica, en general, es una medida de cuánta energía se necesita para cambiar la temperatura de un sistema. Sin embargo, es fundamental comprender que la ingesta de energía debe ser a través del calentamiento. Si se realiza trabajo sobre el sistema, la temperatura aumentará; sin embargo, intentar calcular el aumento de temperatura utilizando la capacidad calorífica y la cantidad de trabajo realizado sobre ella es inexacto.
La cantidad de energía térmica requerida para aumentar la temperatura de una sustancia por unidad de masa se conoce como su Capacidad Calórica Específica . La capacidad calorífica específica de una sustancia es una característica física. También es un ejemplo de propiedad extensiva porque su valor es proporcional al tamaño del sistema en consideración.
Otra cosa a considerar es la limitación a la que está sujeto el sistema. Debido a que este último realiza trabajo sobre su entorno a medida que se expande, la capacidad calorífica específica de un sistema mantenido a volumen constante difiere de la de un sistema mantenido a presión constante. Tales discrepancias generalmente se pasan por alto cuando se trata de sólidos, pero son críticas cuando se trabaja con gases.
El calor específico de un sólido o líquido es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de masa del sólido en 1 °C. Se representa con el símbolo C.
Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 kg de líquido o sólido en 1 K en unidades del SI. Su unidad SI siempre es J kg -1 K -1 , y su unidad CGS es siempre Cal g -1 C -1 .
Si ΔQ es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la masa m a través de ΔT, entonces la fórmula para el calor específico es:
C = ΔQ ⁄ metro ΔT
o
ΔQ = mc ΔT
Calor específico molar
El calor específico molar de un sólido o líquido es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un mol de sólido o líquido en un grado Celsius o un grado Kelvin.
Se denota con la letra C. Su unidad es J mol -1 K -1 . Para elevar la temperatura de μ moles de sólido en ΔT, se requeriría una cantidad de calor igual a ΔQ = μ CT.
La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una molécula de 1 g de una sustancia en un grado centígrado se conoce como capacidad calorífica específica molar de la sustancia, abreviada como C. Se supone que el calor específico del agua es 1. Esto se debe a que usamos agua para definir la unidad de calor (caloría).
Calor específico del agua
La capacidad calorífica específica del agua a presión y temperatura normales es de aproximadamente 4,2 J ⁄ g °C o 1 Cal ⁄ g °C. Esto significa que 1 g de agua requiere 4,2 julios de energía para elevar 1 grado Celsius. Este número es en realidad bastante alto. Incluso el vapor de agua tiene una capacidad calorífica específica más alta que muchos otros materiales a temperatura normal. La capacidad calorífica específica del vapor de agua a presión y temperatura normales es de aproximadamente 1,9 J ⁄ g °C.
La temperatura del agua cae cuando libera calor y sube cuando absorbe calor, como ocurre con otros líquidos. Pero la temperatura del agua líquida baja o sube más lentamente que la de muchos otros líquidos. Podemos concluir que el agua absorbe calor sin causar un aumento instantáneo de temperatura. También mantiene su temperatura durante un período de tiempo considerablemente más largo que muchas otras sustancias.
Empleamos esta propiedad del agua en el cuerpo humano para mantenerla a una temperatura estable. Habría muchos más casos de subcalentamiento y sobrecalentamiento si el agua tuviera un valor de calor específico más bajo.
Calor específico a presión o volumen constante
Cuando un sólido se calienta en un rango de temperatura limitado, su presión permanece constante. A presión constante , esto se conoce como calor específico , abreviado como C P.
Cuando un sólido se calienta en un rango de temperatura corto, su volumen permanece constante. A volumen constante , esto se conoce como calor específico , abreviado como C V.
La forma en que se calienta el gas afecta el comportamiento del gas, el cambio de temperatura en volumen y presión, y la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 g de gas en 1 °C. Podemos calentar el gas con una variedad de P y valores V.
Como resultado, el valor del calor específico es ilimitado. Si no entregamos una cantidad constante de calor, el calor específico del gas cambiará. Como resultado, necesitaremos una presión constante o un volumen de calor específico.
Para un gas ideal,
C PAG – C V = norte R
donde C V es la capacidad calorífica a volumen constante, C P es la capacidad calorífica a presión constante, R es la constante molar de los gases y n es la cantidad de sustancia.
El valor de la constante de gas, R = 8.3145 J mol -1 K -1
Relación C P ⁄ C V (Relación de capacidad calorífica)
El índice adiabático también se conoce como relación de capacidad calorífica o relación de capacidades caloríficas específicas (C P : C V ) en termodinámica. La relación entre la capacidad calorífica a presión constante (C P ) y la capacidad calorífica a volumen constante (C V ) se define como relación de capacidad calorífica.
El factor de expansión isoentrópica, comúnmente conocido como relación de capacidad calorífica, se indica mediante γ para un gas ideal (gamma). Como resultado, la relación de calor específico, γ es igual a la relación de C P a C V , es decir, γ = C P ⁄ C V .
¿Por qué C P es mayor que C V ?
Los calores específicos de un gas ideal están representados por C P y C V . Esta es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de la unidad de masa en 1° C. Por la primera ley de la termodinámica,
ΔQ = ΔU + ΔW
donde, ΔQ es la cantidad de calor que se le da al sistema, ΔU es el cambio en la energía interna y ΔW es el trabajo realizado.
A presión constante, el calor se absorbe para aumentar la energía interna y realizar cualquier trabajo en el sistema. Por otro lado, el calor se absorbe solo para aumentar la energía interna a volumen constante, no para realizar ningún trabajo en el sistema. Como resultado, el calor específico a presión constante es mayor que a volumen constante, es decir, Cp > Cv.
Aplicaciones
- Los aisladores utilizan materiales con una alta capacidad calorífica específica. Tomemos, por ejemplo, la madera. Las casas construidas con madera son más adecuadas para áreas con temperaturas altas o bajas.
- El agua de la piscina solía estar fría en comparación con la temperatura exterior debido al alto calor específico del agua.
- Los utensilios de cocina están hechos de un material de bajo calor específico. Inmediatamente puede calentar sus fondos. Esto se debe a sus fondos de aluminio pulido o cobre. Para mantener el calor y salvaguardar nuestras manos, los mangos de estos utensilios están fabricados con material de alto calor específico.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Cuál es la ventaja de la capacidad calorífica del agua?
Solución:
Debido a que el agua tiene una gran capacidad calorífica, un aumento de un grado en la temperatura requiere más energía. El sol emite una cantidad relativamente constante de energía, lo que hace que la arena se caliente más rápido y el agua más lentamente.
Problema 2: ¿Calcular el calor necesario para elevar 0,5 Kg de arena de 30° C a 90°C? (Calor específico de la arena = 830 J ⁄ Kg °C)
Solución:
Dado:
Masa de arena, m = 0,5 Kg
Diferencia de temperatura, ΔT = 90 °C – 30 °C = 60 °C
Calor específico de la arena, C = 830 J ⁄ Kg °C
La fórmula para la capacidad calorífica específica se da como:
C = ΔQ ⁄ metro ΔT
Reordena la fórmula en términos de Q.
Q = metro C ΔT
= 0,5 kg × 830 J ⁄ kg °C × 60 °C
= 24900 J.
Por lo tanto, el calor requerido para elevar la temperatura de la arena es de 24900 J.
Problema 3: ¿Cuál es la diferencia entre capacidad calorífica y capacidad calorífica específica?
Solución:
La capacidad calorífica específica es el calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia en 1 grado Celsius. De manera similar, la capacidad calorífica es la relación entre la energía proporcionada a una sustancia y el correspondiente aumento de su temperatura.
Problema 4: ¿Calcular la diferencia de temperatura si 40 Kg de agua absorben 400 KJ de calor?
Solución:
Dado:
Masa de agua, m = 40 Kg
Transferencia de calor, Q = 400 KJ,
Calor específico del agua, c = 4,2 × 10 3 J ⁄ Kg °C
La fórmula para la capacidad calorífica específica se da como:
c = ΔQ ⁄ metro ΔT
Reorganiza la fórmula en términos de ΔT.
ΔT = ΔQ ⁄ cm
= (400 × 10 3 ) ⁄ (4,2 × 10 3 × 40) °C
= 2,38 ºC
Por lo tanto, la diferencia de temperatura es de 2,38 °C .
Problema 5: ¿Cuál es la relación de capacidad calorífica?
Solución:
Es la relación de dos capacidades caloríficas específicas, C P y C V está dada por: La Capacidad Calorífica a Presión Constante (C P )/ Capacidad Calorífica a Volumen Constante (C V ).
El factor de expansión isoentrópica, comúnmente conocido como relación de capacidad calorífica, se indica mediante γ para un gas ideal (gamma). Como resultado, la relación de calor específico, γ es igual a la relación de C P a C V , es decir, γ = C P / C V .