Il calore specifico È la quantità di energia che un grammo di una certa sostanza deve assorbire per aumentare la sua temperatura di un grado Celsius. È una proprietà fisica intensiva, poiché non dipende dalla massa in quanto è espressa solo per un grammo di sostanza; Tuttavia, è correlato al numero di particelle e alla loro massa molare, nonché alle forze intermolecolari che le legano..
La quantità di energia assorbita dalla sostanza è espressa in unità di joule (J) e, meno comunemente, in calorie (Cal). In generale, si presume che l'energia venga assorbita attraverso il calore; tuttavia, l'energia può provenire da un'altra fonte, come il lavoro svolto sulla sostanza (agitazione rigorosa, ad esempio).
L'immagine sopra mostra un bollitore dal quale vengono rilasciati i vapori d'acqua generati dal suo riscaldamento. Per riscaldare l'acqua, deve assorbire calore dalla fiamma posta sotto il bollitore. Così, col passare del tempo, ea seconda dell'intensità del fuoco, l'acqua bollirà quando raggiungerà il punto di ebollizione..
Il calore specifico stabilisce quanta energia consuma l'acqua per ogni grado ºC di aumento della sua temperatura. Questo valore è costante se si riscaldano diversi volumi di acqua nello stesso bollitore, poiché come detto all'inizio è una proprietà intensiva..
Ciò che varia è la quantità totale di energia assorbita da ciascuna massa di acqua riscaldata, nota anche come capacità termica. Maggiore è la massa d'acqua da riscaldare (2, 4, 10, 20 litri), maggiore è la sua capacità termica; ma il suo calore specifico rimane lo stesso.
Questa proprietà dipende dalla pressione, dalla temperatura e dal volume; tuttavia, per motivi di semplice comprensione, le loro variazioni corrispondenti vengono omesse..
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Fu definito quale calore specifico significasse per una data sostanza. Tuttavia, il suo vero significato è meglio espresso con la sua formula, che rende chiaro attraverso le sue unità quali sono i giochi che comporta quando vengono analizzate le variabili da cui dipende. La sua formula è:
Ce = Q / ΔT m
Dove Q è il calore assorbito, ΔT la variazione di temperatura e m è la massa della sostanza; che secondo la definizione corrisponde a un grammo. Facendo un'analisi delle sue unità abbiamo:
Ce = J / ºC · g
Che può anche essere espresso nei seguenti modi:
Ce = kJ / K g
Ce = J / ºC · Kg
Il primo di essi è il più semplice ed è con il quale verranno affrontati gli esempi nelle sezioni seguenti.
La formula indica esplicitamente la quantità di energia assorbita (J) da un grammo di sostanza in un grado ºC. Se volessimo eliminare questa quantità di energia, dovremmo lasciare da parte l'equazione J:
J = Ce · ºC · g
Quello espresso in modo più appropriato e in base alle variabili sarebbe:
Q = Ce ΔT m
Nella formula sopra, 'm' non rappresenta un grammo di sostanza, poiché si trova già implicitamente in Ce. Questa formula è molto utile per calcolare i calori specifici di varie sostanze attraverso la calorimetria.
Come? Utilizzando la definizione di calorie, che è la quantità di energia necessaria per riscaldare un grammo di acqua da 14,5 a 15,5 ° C; questo è pari a 4.184 J.
Il calore specifico dell'acqua è anormalmente alto e questa proprietà viene utilizzata per misurare i calori specifici di altre sostanze conoscendo il valore di 4,184 J.
Cosa significa per un calore specifico essere alto? Che offre una notevole resistenza per aumentare la sua temperatura, quindi deve assorbire più energia; cioè l'acqua deve essere riscaldata molto più a lungo rispetto ad altre sostanze, che in prossimità di una fonte di calore si riscaldano quasi istantaneamente.
Per questo motivo l'acqua viene utilizzata nelle misurazioni calorimetriche, poiché non subisce sbalzi di temperatura quando assorbe l'energia liberata dalle reazioni chimiche; o, in questo caso, dal contatto con un altro materiale più caldo.
Poiché l'acqua ha bisogno di assorbire molto calore per aumentare la sua temperatura, il calore può provenire da un metallo caldo, ad esempio. Tenendo conto delle masse di acqua e metallo, si verificherà uno scambio termico tra di loro fino al raggiungimento di quello che viene chiamato equilibrio termico..
Quando ciò si verifica, le temperature dell'acqua e del metallo si equalizzano. Il calore sprigionato dal metallo caldo è uguale a quello assorbito dall'acqua.
Sapendo questo, e con l'ultima formula per Q appena descritta, abbiamo:
Qacqua= -QMetallo
Il segno negativo indica che il calore viene rilasciato dal corpo più caldo (metallo) al corpo più freddo (acqua). Ogni sostanza ha il suo calore specifico Ce e la sua massa, quindi questa espressione deve essere sviluppata come segue:
Qacqua = Ceacqua ΔTacqua Macqua = - (CeMetallo ΔTMetallo MMetallo)
L'ignoto è CeMetallo, poiché in equilibrio termico la temperatura finale sia dell'acqua che del metallo è la stessa; inoltre si conoscono le temperature iniziali dell'acqua e del metallo prima del contatto, nonché le loro masse. Pertanto, dobbiamo cancellare CeMetallo:
CEMetallo = (Ceacqua ΔTacqua Macqua) / (-ΔTMetallo MMetallo)
Senza dimenticare che Ceacqua è 4,184 J / ° C · g. Se si sviluppa ΔTacqua e ΔTMetallo, sarà avuto (TF - Tacqua) e TF - TMetallo), rispettivamente. L'acqua si riscalda, mentre il metallo si raffredda, motivo per cui il segno negativo moltiplica ΔTMetallo rimanenti (TMetallo - TF). Altrimenti, ΔTMetallo avrebbe un valore negativo perché è TF inferiore (più freddo) di TMetallo.
L'equazione è quindi finalmente espressa in questo modo:
CEMetallo = Ceacqua · (TF - Tacqua) Macqua/ (TMetallo - TF) MMetallo
E con esso vengono calcolati i calori specifici.
C'è una sfera di uno strano metallo che pesa 130 g e ha una temperatura di 90 ° C. Questo viene immerso in un contenitore di acqua da 100g a 25ºC, all'interno di un calorimetro. Al raggiungimento dell'equilibrio termico, la temperatura del contenitore diventa di 40 ° C. Calcola il Ce del metallo.
La temperatura finale, TF, è di 40 ° C. Conoscendo gli altri dati, possiamo quindi determinare direttamente Ce:
CEMetallo = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g
CEMetallo = 0,965 J / ºC · g
Si noti che il calore specifico dell'acqua è circa quattro volte quello del metallo (4.184 / 0.965).
Quando Ce è molto piccolo, maggiore è la sua tendenza a riscaldarsi; che è correlato alla sua conducibilità termica e diffusione. Un metallo con un Ce più alto tenderà a rilasciare o perdere più calore, quando entra in contatto con un altro materiale, rispetto ad un altro metallo con un Ce più basso.
Di seguito sono riportati i calori specifici per diverse sostanze.
Il calore specifico dell'acqua, come detto, è di 4,184 J / ºC · g.
Grazie a questo valore, può ricevere molto sole nell'oceano e l'acqua difficilmente evaporerà in misura apprezzabile. Ciò si traduce in una differenza termica che non influisce sulla vita marina. Ad esempio, quando vai in spiaggia a nuotare, anche se fuori c'è il sole, senti nell'acqua una temperatura più bassa e più fresca..
L'acqua calda ha anche bisogno di rilasciare molta energia per raffreddarsi. Nel processo, riscalda le masse d'aria circolanti, aumentando leggermente le temperature (temperate) nelle regioni costiere durante gli inverni..
Un altro esempio interessante è che se non fossimo fatti d'acqua, una giornata al sole potrebbe essere mortale, perché la temperatura del nostro corpo aumenterebbe rapidamente..
Questo valore unico di Ce è dovuto ai legami idrogeno intermolecolari. Questi assorbono il calore per abbattere, quindi immagazzinano energia. Fino a quando non si saranno rotte, le molecole d'acqua non saranno in grado di vibrare aumentando l'energia cinetica media, che si riflette in un aumento della temperatura..
Il calore specifico del ghiaccio è di 2.090 J / ºC · g. Come quello dell'acqua, ha un valore insolitamente alto. Ciò significa che un iceberg, ad esempio, dovrebbe assorbire un'enorme quantità di calore per aumentare la sua temperatura. Tuttavia, alcuni iceberg oggi hanno persino assorbito il calore necessario per sciogliersi (calore latente di fusione)..
Il calore specifico dell'alluminio è 0,900 J / ºC · g. È leggermente inferiore a quella del metallo nella sfera (0,965 J / ºC · g). Qui il calore viene assorbito per far vibrare gli atomi metallici di alluminio nelle loro strutture cristalline, e non le singole molecole tenute insieme da forze intermolecolari..
Il calore specifico del ferro è 0,444 J / ºC · g. Essendo inferiore all'alluminio, significa che offre meno resistenza quando riscaldato; cioè, prima di un incendio un pezzo di ferro diventerà incandescente molto prima di un pezzo di alluminio.
L'alluminio essendo più resistente al riscaldamento, mantiene i cibi caldi più a lungo quando si utilizza il famoso foglio di alluminio per avvolgere gli snack.
Il calore specifico dell'aria è di circa 1,003 J / ºC · g. Questo valore è fortemente soggetto a pressioni e temperature perché è costituito da una miscela gassosa. Qui il calore viene assorbito per far vibrare le molecole di azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon, ecc..
Infine, il calore specifico per l'argento è 0,234 J / ºC · g. Di tutte le sostanze citate, ha il valore Ce più basso. Ciò significa che di fronte al ferro e all'alluminio, un pezzo d'argento si riscalderebbe molto di più contemporaneamente rispetto agli altri due metalli. Infatti si armonizza con la sua elevata conducibilità termica.
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