Calore specifico

Il calore specifico (s) è un tipo particolare di capacità termica. Il calore specifico è la proprietà termodinamica che indica la quantità di calore necessaria affinché una singola unità di massa di una sostanza sia innalzata di un grado di temperatura. I valori di calore specifico variano a seconda della misura in cui le sostanze assorbono il calore. Il termine capacità termica può essere fuorviante poiché il calore q è il termine dato all'aggiunta o alla rimozione di energia, attraverso una barriera ad una sostanza o sistema, come risultato dell'aumento o della diminuzione della temperatura rispettivamente. I cambiamenti di temperatura sono in realtà cambiamenti di energia. Pertanto, il calore specifico e altre forme di capacità termica sono misure più accurate della capacità di una sostanza di assorbire energia all'aumentare della temperatura della sostanza.

Unità

Le unità sono molto importanti per esprimere qualsiasi proprietà termodinamica; lo stesso vale per il calore specifico. L'energia sotto forma di calore è espressa in Joule (J) o kilojoule (kJ) che sono le unità più comuni associate all'energia. Un'unità di massa si misura in grammi o chilogrammi per quanto riguarda il calore specifico. Per un grammo è la forma standard usata nelle tabelle dei valori di calore specifico, ma a volte si vedono riferimenti che usano un chilogrammo. Un grado di temperatura è misurato sulla scala Celsius o Kelvin, ma di solito Celsius. Le unità più comunemente associate quindi per il calore specifico sono J/(g-°C).

Fattori che determinano il calore specifico

Temperatura e pressione

Due fattori che cambiano il calore specifico di un materiale sono la pressione e la temperatura. Il calore specifico è definito a una pressione standard e costante (di solito la pressione atmosferica) per i materiali ed è generalmente riportato a 25 °C (298,15 K). Una temperatura standard è usata perché il calore specifico ha una dipendenza dalla temperatura e può cambiare a diversi valori di temperatura. Il calore specifico è indicato come una proprietà intensiva (it:Proprietà intensive ed estensive proprietà intensive.) Finché la temperatura e la pressione sono ai valori standard di riferimento e non si verifica alcun cambiamento di fase, il valore del calore specifico di qualsiasi materiale rimane costante indipendentemente dalla massa del materiale presente.

Gradi di libertà energetici

Un grande fattore nella grandezza del calore specifico di un materiale si trova a livello molecolare nei gradi di libertà energetici (fisica e chimica) gradi di libertà disponibili per il materiale nella fase (solido, liquido o gas) in cui si trova. I gradi di libertà energetici sono di quattro tipi: traslazione, rotazione, vibrazione ed elettronica. Una quantità minima di energia è necessaria per raggiungere ogni grado di libertà. Quindi, la quantità di energia che può essere immagazzinata in una sostanza dipende dal tipo e dal numero dei gradi di libertà energetici che contribuiscono alla sostanza ad una data temperatura. I liquidi hanno generalmente più modi a bassa energia e più gradi di libertà energetici dei solidi e della maggior parte dei gas. Questa più ampia gamma di possibilità all'interno dei gradi di libertà genera tipicamente maggiori calori specifici per le sostanze liquide che per i solidi o i gas. Questa tendenza può essere vista nella en:Heat capacity#Table of specific heat capacities Table of specific heat capacitiesand confrontando l'acqua liquida con l'acqua solida (ghiaccio), rame, stagno, ossigeno e grafite.

Uso

Il calore specifico viene utilizzato per calcolare la quantità di calore assorbito quando l'energia viene aggiunta a un materiale o a una sostanza attraverso un aumento della temperatura in un intervallo definito. Il calcolo della quantità di calore o di energia aggiunta a un materiale è un processo relativamente facile, purché si registrino la temperatura iniziale e quella finale del materiale, si riporti la massa del materiale e si conosca il calore specifico. Il calore specifico, la massa del materiale e la scala della temperatura devono essere tutti nelle stesse unità per eseguire accuratamente il calcolo del calore.

L'equazione per calcolare il calore (q) è la seguente:

Q = s × m × ΔT

Nell'equazione, s è il calore specifico in (J/g-°C). m è la massa della sostanza in grammi. ΔT si riferisce al cambiamento di temperatura (°C) osservato nella sostanza. La convenzione è di sottrarre la temperatura iniziale del materiale dalla temperatura finale dopo il riscaldamento, quindi ΔT è TFinal-TInitial nell'equazione. Sostituendo tutti i valori nell'equazione e moltiplicando si annullano le unità di massa e di temperatura lasciando le unità appropriate di Joule per il calore. Calcoli come questo sono utili in en:Calorimetria calorimetria


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