CAPACITÀ TERMICA: FORMULE, UNITÀ E MISURE - FISICO - 2024

La capacità termica di un corpo o sistema è il quoziente tra l'energia termica trasmessa a quel corpo e il cambiamento di temperatura che subisce in quel processo. Un'altra definizione più precisa è che si riferisce a quanto calore è necessario trasmettere a un corpo o sistema in modo che la sua temperatura aumenti di un grado kelvin.

Succede continuamente che i corpi più caldi cedano calore ai corpi più freddi in un processo che dura fintanto che c'è una differenza di temperatura tra i due corpi a contatto. Quindi, il calore è l'energia che viene trasmessa da un sistema all'altro per il semplice fatto che c'è una differenza di temperatura tra i due.

Per convenzione, il calore positivo (Q) è definito come quello che viene assorbito da un sistema e come calore negativo quello che viene trasferito da un sistema.

Da quanto sopra ne consegue che non tutti gli oggetti assorbono e trattengono il calore con la stessa facilità; quindi alcuni materiali si riscaldano più facilmente di altri.

Va tenuto presente che, in ultima analisi, la capacità termica di un corpo dipende dalla sua natura e composizione.

Formule, unità e misure

La capacità termica può essere determinata a partire dalla seguente espressione:

C = dQ / dT

Se la variazione di temperatura è sufficientemente piccola, l'espressione precedente può essere semplificata e sostituita dalla seguente:

C = Q / ΔT

Quindi, l'unità di misura della capacità termica nel sistema internazionale è il Joule per kelvin (J / K).

La capacità termica può essere misurata a pressione costante C _p o volume costante C _v .

Calore specifico

Spesso la capacità termica di un sistema dipende dalla sua quantità di sostanza o dalla sua massa. In questo caso, quando un sistema è costituito da un'unica sostanza con caratteristiche omogenee, è richiesto un calore specifico, detto anche capacità termica specifica (c).

Pertanto, il calore specifico di massa è la quantità di calore che deve essere fornita all'unità di massa di una sostanza per aumentare la sua temperatura di un grado kelvin, e può essere determinata a partire dalla seguente espressione:

c = Q / m ΔT

In questa equazione m è la massa della sostanza. Pertanto, l'unità di misura del calore specifico in questo caso è il Joule per chilogrammo per kelvin (J / kg K), o anche il Joule per grammo per kelvin (J / g K).

Allo stesso modo, il calore specifico molare è la quantità di calore che deve essere fornita a una talpa di una sostanza per aumentare la sua temperatura di un grado kelvin. E può essere determinato dalla seguente espressione:

In questa espressione n è il numero di moli della sostanza. Ciò implica che l'unità di misura del calore specifico in questo caso è il Joule per mole per kelvin (J / mol K).

Calore specifico dell'acqua

I calori specifici di molte sostanze sono calcolati e facilmente accessibili nelle tabelle. Il valore del calore specifico dell'acqua allo stato liquido è 1000 calorie / kg K = 4186 J / kg K. Al contrario, il calore specifico dell'acqua allo stato gassoso è 2080 J / kg K e allo stato solido 2050 J / kg K.

Trasferimento termico

In questo modo e dato che sono già stati calcolati i valori specifici della stragrande maggioranza delle sostanze, è possibile determinare il trasferimento di calore tra due corpi o sistemi con le seguenti espressioni:

Q = cm ΔT

O se viene utilizzato il calore specifico molare:

Q = cn ΔT

Si tenga presente che queste espressioni consentono di determinare i flussi di calore a condizione che non vi sia cambiamento di stato.

Nei processi di cambiamento di stato si parla di calore latente (L), che è definito come l'energia richiesta da una quantità di sostanza per cambiare fase o stato, sia da solido a liquido (calore di fusione, L _f ) o da liquido a gassoso (calore di vaporizzazione, L _v ).

Si deve tener conto che tale energia sotto forma di calore viene interamente consumata nel cambio di fase e non inverte una variazione di temperatura. In questi casi le espressioni per calcolare il flusso di calore in un processo di vaporizzazione sono le seguenti:

Q = L _v m

Se si usa il calore specifico molare: Q = L _v n

In un processo di fusione: Q = L _f m

Se si usa il calore specifico molare: Q = L _f n

In generale, come per il calore specifico, i calori latenti della maggior parte delle sostanze sono già calcolati e sono facilmente accessibili nelle tabelle. Quindi, ad esempio, nel caso dell'acqua devi:

L _f = 334 kJ / kg (79,7 cal / g) a 0 ° C; L _v = 2257 kJ / kg (539,4 cal / g) a 100 ° C.

Esempio

Nel caso dell'acqua, se una massa di 1 kg di acqua congelata (ghiaccio) viene riscaldata da una temperatura di -25 ºC a una temperatura di 125 ºC (vapore acqueo), il calore consumato nel processo sarebbe calcolato come segue :

Fase 1

Ghiaccio da -25 ºC a 0 ºC.

Q = cm ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

Fase 2

Cambio di stato da ghiaccio ad acqua liquida.

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

Fase 3

Acqua liquida da 0ºC a 100ºC.

Q = cm ΔT = 4186 1100 = 418600 J

Fase 4

Cambio di stato da acqua liquida a vapore acqueo.

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

Fase 5

Vapore acqueo da 100ºC a 125ºC.

Q = cm ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

Pertanto, il flusso di calore totale nel processo è la somma di quello prodotto in ciascuna delle cinque fasi e risulta in 31112850 J.

Riferimenti

1. Resnik, Halliday & Krane (2002). Volume di fisica 1. Cecsa.
2. Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, ed. Il mondo della chimica fisica.Capacità termica. (Nd). In Wikipedia. Estratto il 20 marzo 2018 da en.wikipedia.org.
3. Calore latente. (Nd). In Wikipedia. Estratto il 20 marzo 2018 da en.wikipedia.org.
4. Clark, John, OE (2004). Il dizionario essenziale della scienza. Barnes & Noble Books.
5. Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (prima edizione 1978), nona edizione 2010, Oxford University Press, Oxford UK.