CĂLDURĂ SPECIFICĂ: DIN CE CONSTĂ, MODUL ÎN CARE ESTE CALCULATĂ ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Căldura specifică este cantitatea de energie care trebuie absorbită un gram de substanță pentru a crește temperatura cu un grad Celsius. Este o proprietate fizică intensivă, deoarece nu depinde de masă, deoarece este exprimată doar pentru un gram de substanță; cu toate acestea, este legat de numărul de particule și de masa lor molară, precum și de forțele intermoleculare care le leagă.

Cantitatea de energie absorbită de substanță este exprimată în unități de joule (J) și mai puțin frecvent în calorii (Cal). În general, se presupune că energia este absorbită prin căldură; cu toate acestea, energia poate proveni dintr-o altă sursă, cum ar fi munca depusă asupra substanței (agitare riguroasă, de exemplu).

Apă clocotită. Sursa: Pixabay

Imaginea de mai sus arată o ceainică din care sunt eliberați vaporii de apă generați de încălzirea sa. Pentru a încălzi apa, aceasta trebuie să absoarbă căldura din flacăra situată sub ceainic. Astfel, pe măsură ce trece timpul și în funcție de intensitatea focului, apa va fierbe când ajunge la punctul său de fierbere.

Căldura specifică stabilește câtă energie consumă apă pentru fiecare grad ºC, încât temperatura sa crește. Această valoare este constantă dacă se încălzesc diferite volume de apă în aceeași ceainică, deoarece așa cum s-a spus la început, este o proprietate intensivă.

Ceea ce variază este cantitatea totală de energie absorbită de fiecare masă de apă încălzită, cunoscută și sub denumirea de capacitate de căldură. Cu cât este mai mare masa de apă care trebuie încălzită (2, 4, 10, 20 litri), cu atât este mai mare capacitatea de căldură; dar căldura sa specifică rămâne aceeași.

Această proprietate depinde de presiune, temperatură și volum; cu toate acestea, de dragul unei simple înțelegeri, variațiile corespunzătoare ale acestora sunt omise.

Ce este căldura specifică?

Ce a fost definit caldura specifica pentru o anumita substanta. Cu toate acestea, adevăratul său sens este exprimat mai bine cu formula sa, ceea ce face clar prin unitățile sale care sunt liberurile pe care le implică atunci când sunt analizate variabilele de care depinde. Formula sa este:

Ce = Q / ΔT m

În cazul în care Q este căldura absorbită, ΔT modificarea temperaturii și m este masa substanței; că conform definiției corespunde unui gram. Facând o analiză a unităților sale avem:

Ce = J / ºC · g

Care poate fi, de asemenea, exprimat în următoarele moduri:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Primul dintre ele este cel mai simplu și este cu care se vor aborda exemplele în secțiunile următoare.

Formula indică explicit cantitatea de energie absorbită (J) de un gram de substanță într-un grad ºC. Dacă am dori să ștergem această cantitate de energie, ar trebui să lăsăm ecuația J deoparte:

J = Ce · ºC · g

Aceasta exprimată într-un mod mai adecvat și în funcție de variabile ar fi:

Q = Ce ΔT m

Cum se calculează căldura specifică?

Apa ca referință

În formula de mai sus, „m” nu reprezintă un gram de substanță, deoarece se găsește deja implicit în Ce. Această formulă este foarte utilă pentru a calcula încălzirile specifice ale diverselor substanțe prin calorimetrie.

Cum? Folosind definiția caloriilor, care este cantitatea de energie necesară pentru încălzirea unui gram de apă de la 14,5 la 15,5 ºC; aceasta este egală cu 4.184 J.

Căldura specifică a apei este anormal de mare, iar această proprietate este utilizată pentru a măsura căldurile specifice ale altor substanțe, cunoscând valoarea de 4,184 J.

Ce înseamnă că o căldură specifică este ridicată? Că oferă o rezistență considerabilă pentru a-și crește temperatura, deci trebuie să absoarbă mai multă energie; adică apa trebuie încălzită mult mai mult în comparație cu alte substanțe, care în apropierea unei surse de căldură se încălzește aproape instantaneu.

Din acest motiv, apa este utilizată la măsurători calorimetrice, deoarece nu are schimbări bruște ale temperaturii atunci când absoarbe energia eliberată din reacțiile chimice; sau, pentru acest caz, de la contactul cu un alt material mai fierbinte.

Echilibru termic

Deoarece apa trebuie să absoarbă multă căldură pentru a-i crește temperatura, căldura poate proveni dintr-un metal fierbinte, de exemplu. Ținând cont de masele de apă și de metal, va avea loc un schimb de căldură între ele până la atingerea a ceea ce se numește echilibru termic.

Când se întâmplă acest lucru, temperaturile apei și metalului se egalizează. Căldura emisă de metalul fierbinte este egală cu cea absorbită de apă.

Dezvoltare matematică

Știind acest lucru și cu ultima formulă pentru Q tocmai descrisă, avem:

Q _Apă = -Q _Metal

Semnul negativ indică faptul că căldura este eliberată din corpul mai cald (metal) în corpul mai rece (apa). Fiecare substanță are propria sa căldură specifică și masa sa, deci această expresie trebuie dezvoltată după cum urmează:

Q _Apă = Ce _Apă · ΔT _Apă · m _Apă = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal )

Necunoscutul este Ce _Metal , deoarece în echilibrul termic temperatura finală atât pentru apă cât și pentru metal este aceeași; în plus, temperaturile inițiale ale apei și metalului sunt cunoscute înainte de contact, precum și masele acestora. Prin urmare, Ce _Metal trebuie să fie curățat :

Ce _Metal = (Ce _Apa · ΔT _Apă · m _Apă ) / (-ΔT _Metal · m _Metal )

Fără a uita că Ce _apa este 4.184 J / ºC · g. Dacă ΔT _Water și WaterT _Metal sunt dezvoltate , vom avea (T _f - T _Water ) și respectiv (T _f - T _Metal ). Apa se încălzește, în timp ce metalul se răcește, și de aceea semnul negativ se înmulțește ΔT _Metal, lăsând (T _Metal - T _f ). În caz contrar, ΔT _Metal ar avea o valoare negativă, deoarece este T _f mai mic (mai rece) decât T _Metal .

Ecuația este apoi exprimată în sfârșit în acest fel:

Ce _Metal = Ce _Apa · (T _f - T _Apa ) · m _Apa / (T _Metal - T _f ) · m _Metal

Și odată cu aceasta se calculează căldurile specifice.

Exemplu de calcul

Există o sferă dintr-un metal ciudat, care cântărește 130g și are o temperatură de 90ºC. Acesta este scufundat într-un recipient de 100 g de apă la 25ºC, în interiorul unui calorimetru. La atingerea echilibrului termic, temperatura recipientului devine 40 ° C. Calculați Ce-ul metalului.

Temperatura finală, T _f , este 40 ° C. Cunoscând celelalte date, Ce poate fi apoi determinat direct:

Ce _Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _metal = 0,965 J / ºC · g

Rețineți că căldura specifică a apei este de aproximativ patru ori mai mare decât cea a metalului (4.184 / 0.965).

Când Ce este foarte mic, cu atât este mai mare tendința sa de încălzire; ceea ce este legat de conductivitatea și difuzarea sa termică. Un metal cu un Ce mai mare va tinde să elibereze sau să piardă mai multă căldură, atunci când va intra în contact cu un alt material, în comparație cu un alt metal cu un Ce inferior.

Exemple

Încălzirile specifice pentru diferite substanțe sunt prezentate mai jos.

Apă

Căldura specifică a apei, după cum s-a precizat, este de 4,184 J / ° C · g.

Datorită acestei valori, poate obține mult soare în ocean, iar apa se va evapora cu greu într-un grad apreciabil. Aceasta duce la o diferență termică care nu afectează viața marină. De exemplu, atunci când mergi la plajă să înoți, chiar dacă este însorită afară, apa simte o temperatură mai scăzută și mai rece.

De asemenea, apa caldă trebuie să elibereze multă energie pentru a se răci. În acest proces, încălzește masele de aer care circulă, ridicând (temperat) temperaturile oarecum în regiunile de coastă în timpul iernilor.

Un alt exemplu interesant este că, dacă nu am fi format din apă, o zi la soare ar putea fi mortală, deoarece temperaturile corpului nostru ar crește rapid.

Această valoare unică a Ce se datorează legăturilor intermoleculare de hidrogen. Acestea absorb căldura pentru a se descompune, astfel încât acestea stochează energie. Până când nu vor fi rupte, moleculele de apă nu vor putea vibra crescând energia cinetică medie, ceea ce se reflectă într-o creștere a temperaturii.

Gheaţă

Căldura specifică a gheții este de 2.090 J / ºC · g. Ca și cea a apei, are o valoare neobișnuit de mare. Aceasta înseamnă că, de exemplu, un aisberg ar trebui să absoarbă o cantitate enormă de căldură pentru a-i crește temperatura. Cu toate acestea, unele aisberguri astăzi chiar au absorbit căldura necesară pentru a se topi (căldură latentă de fuziune).

Aluminiu

Căldura specifică a aluminiului este de 0,900 J / ºC · g. Este puțin mai mică decât cea a metalului din sferă (0,965 J / ºC · g). Aici căldura este absorbită pentru a vibra atomii metalici ai aluminiului în structurile lor cristaline și nu moleculele individuale ținute împreună de forțele intermoleculare.

Fier

Căldura specifică a fierului este de 0,444 J / ºC · g. Fiind mai puțin decât aluminiu, înseamnă că oferă o rezistență mai mică atunci când este încălzit; adică înainte de foc, o bucată de fier se va înroși mult mai devreme decât o bucată de aluminiu.

Aluminiul fiind mai rezistent la încălzire, menține mâncarea fierbinte mai mult timp atunci când faimoasa folie de aluminiu este folosită pentru a înfășura gustări.

Aer

Căldura specifică a aerului este de aproximativ 1.003 J / ºC · g. Această valoare este foarte supusă presiunilor și temperaturilor, deoarece constă dintr-un amestec gazos. Aici căldura este absorbită pentru a vibra moleculele de azot, oxigen, dioxid de carbon, argon etc.

Argint

În cele din urmă, căldura specifică pentru argint este de 0,234 J / ºC · g. Dintre toate substanțele menționate, aceasta are cea mai mică valoare Ce, ceea ce înseamnă că atunci când este confruntat cu fier și aluminiu, o bucată de argint s-ar încălzi mult mai mult în același timp cu celelalte două metale. De fapt, se armonizează cu conductivitatea termică ridicată.

Referințe

1. Serway & Jewett. (2008). Fizică: pentru știință și inginerie. (Ediția a șaptea), Volumul 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a opta). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (5 noiembrie 2018). Capacitatea specifică de căldură în chimie. Recuperat de la: thinkco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Căldura specifică. Recuperat de la: scienceworld.wolfram.com
5. R Nava. (2016). Căldura specifică. Universitatea de Stat din Georgia Recuperat din: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Căldura specifică. Recuperat de la: es.wikipedia.org