Capacitatea calorică

Capacitatea calorică sau capacitatea termică este o cantitate fizică măsurabilă egală cu raportul dintre căldura adăugată (sau îndepărtată) dintr-un obiect la schimbarea de temperatură rezultată. Unitatea de capacitate termică este joule per kelvin J/K sau kilogram metru pătrat pe kelvin secunde pătrat kg·m²/K·s² în Sistemul Internațional de Unități (SI). Forma dimensională este L²MT^-2Θ^-1. Căldura specifică reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii unui kilogram de masă cu 1 kelvin.

Capacitatea calorică este o proprietate extinsă a materiei, ceea ce înseamnă că este proporțională cu dimensiunea sistemului. Când se exprimă același fenomen ca o proprietate intensivă, capacitatea de căldură este împărțită la cantitatea de substanță, masă sau volum, astfel încât cantitatea este independentă de mărimea sau amploarea probei. Capacitatea calorică molară este capacitatea de căldură pe unitatea de cantitate (unitate SI: mol) dintr-o substanță pură, iar capacitatea calorică specifică, deseori denumită căldură specifică, este capacitatea de căldură pe unitatea de masă a unui material. Cu toate acestea, unii autori folosesc termenul de căldură specifică pentru a se referi la raportul dintre capacitatea calorică specifică a unei substanțe la orice temperatură dată și capacitatea calorică specifică a unei alte substanțe la o temperatură de referință, mult în modul de greutate specifică. În unele contexte inginerești, se folosește capacitatea calorică volumetrică.

Temperatura reflectă energia cinetică medie ponderată a particulelor constitutive ale materiei (adică atomi sau molecule) relativ la centrul de masă al sistemului, în timp ce căldura este transferul energiei într-o limită a sistemului în corp, altul decât prin transferul de lucru mecanic sau de materie . Translația, rotirea și vibrația atomilor reprezintă gradele de libertate a mișcării care contribuie în mod clasic la capacitatea calorică a gazelor, în timp ce doar vibrațiile sunt necesare pentru a descrie capacitățile calorice ale majorității solidelor, după cum se arată în legea Dulong-Petit. Alte contribuții pot proveni din grade magnetice și electronice de libertate în materie solidă, dar acestea au rar contribuții substanțiale.

Din motive mecanice cuantice, la o anumită temperatură, unele dintre aceste grade de libertate pot fi indisponibile sau doar parțial disponibile pentru stocarea energiei termice. În astfel de cazuri, capacitatea calorică este o fracțiune din valoarea maximă. Pe măsură ce temperatura atinge zero absolut, capacitatea calorică a unui sistem se apropie de zero datorită pierderii gradelor de libertate disponibile. Teoria cuantică poate fi utilizată pentru a prezice cantitativ capacitatea calorică a sistemelor simple.

Măsurare

Modul obișnuit de măsurare a capacității termice este de a adăuga o cantitate cunoscută de căldură unui obiect și de a măsura schimbarea temperaturii. Acest lucru funcționează destul de bine pentru multe solide. Cu toate acestea, pentru măsurători precise și mai ales pentru gaze, alte aspecte ale măsurării devin critice.

Capacitatea termică poate fi afectată de multe dintre variabilele de stare care descriu sistemul termodinamic în studiu. Acestea includ temperatura inițială și de final, precum și presiunea și volumul sistemului înainte și după adăugarea căldurii. Deci, mai degrabă decât o singură modalitate de a măsura capacitatea calorică, există de fapt mai multe măsurători ușor diferite ale capacității termice. Metodele cele mai utilizate pentru măsurare sunt de a menține obiectul fie la presiune constantă (C_P), fie la volum constant (C_V). De obicei, gazele și lichidele sunt măsurate la un volum constant. Măsurătorile sub presiune constantă produc valori mai mari decât cele la volum constant, deoarece valorile presiunii constante includ și energia termică care este utilizată pentru a face lucrul mecanic pentru a extinde substanța împotriva presiunii constante pe măsura creșterii temperaturii. Această diferență este deosebit de notabilă în cazul gazelor unde valorile sub presiune constantă sunt de obicei de 30% până la 66,7% mai mari decât cele la volum constant. Prin urmare, raportul de căldură al gazelor este de obicei între 1,3 și 1,67.

Capacitățile calorice specifice ale substanțelor care conțin molecule (diferite de gazele monatomice) nu sunt constante fixe și variază oarecum în funcție de temperatură. În consecință, de obicei, se specifică și temperatura la care se face măsurarea. Exemple de două modalități comune de a cita căldura specifică a unei substanțe sunt următoarele:

• Apă (lichidă): C_P = 4185,5 J/(kg·K) (15 °C, 101,325 kPa)
• Apă (lichidă): C_VH = 74,539 J/(mol·K) (25 °C)

Pentru lichide și gaze, este important să se cunoască presiunea la care se referă datele despre capacitatea calorică dată. Majoritatea datelor publicate sunt pentru presiunea standard. Cu toate acestea, diferite condiții standard pentru temperatură și presiune au fost definite de diferite organizații. Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) și-a schimbat recomandarea de la o atmosferă la o valoare rotundă de 100 kPa (≈750.062 Torr).

Capacitate calorică specifică

 (Capacitate calorică specifică volumetrică a unui gaz diatomic (idealizat).)

Capacitatea calorică specifică a unui material pe bază de masă este

c = ∂C/∂m,

care în absența tranzițiilor de fază este echivalentă cu

c = E_m = C/m = C/ρV

unde C este capacitatea calorică a unui corp fabricat din materialul în cauză, m este masa corpului, V este volumul corpului, ρ = mV este densitatea materialului.

Pentru gaze și, de asemenea, pentru alte materiale sub presiuni ridicate, este necesar să se facă distincția între diferitele condiții limită pentru procesele luate în considerare (deoarece valorile diferă semnificativ între diferitele condiții). Procesele tipice pentru care poate fi definită o capacitate calorică includ procesele isobarice (presiune constantă, dP = 0) sau izocoră (volum constant, dV = 0). Capacitățile de căldură specifice corespunzătoare sunt exprimate ca

c_P = (∂C/∂m)_P,

c_V = (∂C/∂m)_V.

Din rezultatele secțiunii anterioare, împărțirea prin masă dă relația

c_P – c_V = α²T/ρβ_T.

Un parametru asociat cu c, capacitatea calorică volumetrică. În practica de inginerie, c_v pentru solide sau lichide semnifică adesea o capacitate calorică volumetrică, mai degrabă decât una cu volum constant. În astfel de cazuri, capacitatea calorică specifică în masă (căldura specifică) este adesea scrisă explicit cu indicele m, așa cum c_m. Desigur, din relațiile de mai sus, pentru solide se scrie

c_m = C_m = c_volumetricρ.

Pentru compuși chimici omogeni puri cu o masă moleculară sau molară stabilită sau o cantitate molară, capacitatea calorică ca proprietate intensivă poate fi exprimată pe bază de per mol în loc de masă prin următoarele ecuații analoge cu ecuațiile per masă:

C_P,m = (∂C/∂n)_P = capacitatea de căldură molară la presiune constantă,

C_V,m = (∂C/∂n)_V = capacitatea de căldură molară la volumul constant,

unde n este numărul de moli din corp sau din sistemul termodinamic. Se poate referi la o astfel de cantitate per-mol ca capacitate calorică molară pentru a o distinge de capacitatea termică specifică pe bază de masă.