Volumul specific este o proprietate intensivă caracteristică a fiecărui element sau material. Este definit matematic drept relația dintre volumul ocupat de o anumită cantitate de materie (un kilogram sau un gram); cu alte cuvinte, este reciprocitatea densității.
Densitatea indică cât cântărește 1 ml de materie (lichid, solid, gazos sau un amestec omogen sau eterogen), în timp ce volumul specific se referă la volumul care ocupă 1 g (sau 1 kg). Astfel, cunoscând densitatea unei substanțe, este suficient să se calculeze reciprocul pentru a determina volumul său specific.
La ce se referă cuvântul „specific”? Când se spune că orice proprietate este specifică, înseamnă că este exprimată ca o funcție de masă, care permite transformarea ei de la o proprietate extinsă (care depinde de masă) într-una intensivă (continuă în toate punctele sistemului).
Unitățile în care volumul specific este exprimat în mod normal sunt (m 3 / Kg) sau (cm 3 / g). Cu toate acestea, deși această proprietate nu depinde de masă, ea depinde de alte variabile, cum ar fi incidentul de temperatură sau presiune asupra substanței. Acest lucru face ca un gram de substanță să ocupe mai mult volum la temperaturi mai ridicate.
Din apă
În prima imagine puteți vedea o picătură de apă pe cale să se amestece cu suprafața lichidului. Deoarece este în mod natural o substanță, masa ei ocupă volum ca oricare alta. Acest volum macroscopic este un produs al volumului și al interacțiunilor moleculelor sale.
Molecula de apă are formula chimică H 2 O, cu o masă moleculară de aproximativ 18g / mol. Densitățile pe care le prezintă depind, de asemenea, de temperatură, iar la nivel macro distribuția moleculelor sale este considerată cât se poate de omogenă.
Cu valorile densității ρ la temperatura T, pentru a calcula volumul specific de apă lichidă este suficient să se aplice următoarea formulă:
v = (1 / ρ)
Se calculează determinând experimental densitatea apei folosind un picnometru și apoi efectuând calculul matematic. Deoarece moleculele fiecărei substanțe sunt diferite una de cealaltă, la fel și volumul specific rezultat.
Dacă densitatea apei pe o gamă largă de temperaturi este de 0,997 kg / m 3 , volumul său specific este de 1,003 m 3 / kg.
Din aer
Aerul este un amestec gazos omogen, compus în principal din azot (78%), urmat de oxigen (21%) și în final de alte gaze din atmosfera terestră. Densitatea sa este o expresie macroscopică a tuturor acelui amestec de molecule, care nu interacționează eficient și se propagă în toate direcțiile.
Deoarece se presupune că substanța este continuă, răspândirea ei într-un recipient nu își schimbă compoziția. Din nou, prin măsurarea densității la condițiile descrise de temperatură și presiune, se poate determina ce volum ocupă 1 g de aer.
Deoarece volumul specific este 1 / ρ, iar ρ-ul său este mai mic decât cel al apei, atunci volumul său specific este mai mare.
Explicația acestui fapt se bazează pe interacțiunile moleculare dintre apă și aer; acesta din urmă, chiar și în cazul umidității, nu se condensează decât dacă este supus la temperaturi foarte reci și presiuni ridicate.
Din abur
În aceleași condiții, un gram de vapori va ocupa un volum mai mare decât cel al unui gram de aer? Aerul este mai dens decât apa în faza gazoasă, deoarece este un amestec de gaze menționate mai sus, spre deosebire de moleculele de apă.
Deoarece volumul specific este invers al densității, un gram de vapori ocupă mai mult volum (este mai puțin dens) decât un gram de aer.
Proprietățile fizice ale aburului ca fluid sunt esențiale în multe procese industriale: în interiorul schimbătorilor de căldură, pentru a crește umiditatea, mașinile curate, printre altele.
Există multe variabile de luat în considerare la manipularea cantităților mari de abur în industrii, în special în ceea ce privește mecanica fluidelor.
Azot
La fel ca restul de gaze, densitatea sa depinde considerabil de presiune (spre deosebire de solide și lichide) și de temperatură. Astfel, valorile pentru volumul său specific variază în funcție de aceste variabile. De aici nevoia de a determina volumul său specific pentru a exprima sistemul în termeni de proprietăți intense.
Fără valori experimentale, prin raționament molecular, este dificil să se compare densitatea azotului cu cea a altor gaze. Molecula de azot este liniară (N≡N), iar cea a apei este unghiulară.
Deoarece o „linie” ocupă un volum mai mic decât un „boomerang”, atunci se poate aștepta ca azotul să fie mai dens decât apa prin definiția densității (m / V). Folosind o densitate de 1.2506 Kg / m 3 , volumul specific în condițiile în care această valoare a fost măsurată este de 0,7996 m 3 / Kg; este pur și simplu reciproc (1 / ρ).
Din gazul ideal
Gazul ideal este unul care se supune ecuației:
P = nRT / V
Se poate observa că ecuația nu are în vedere nicio variabilă precum structura moleculară sau volumul; nici nu are în vedere modul în care moleculele de gaz interacționează între ele într-un spațiu definit de sistem.
Într-o gamă limitată de temperaturi și presiuni, toate gazele „se comportă” la fel; din acest motiv este valabil într-o oarecare măsură să presupunem că se supun ecuației ideale de gaz. Astfel, din această ecuație, pot fi determinate mai multe proprietăți ale gazelor, inclusiv volumul specific.
Pentru a o rezolva, este necesară exprimarea ecuației în termenii variabilelor de densitate: masă și volum. Alunitele sunt reprezentate de n, iar acestea sunt rezultatul divizării masei gazului la masa moleculară (m / M).
Luând masa variabilă m în ecuație, dacă este împărțită la volum, densitatea poate fi obținută; De aici, este suficient să ștergeți densitatea și apoi să „flipați” ambele părți ale ecuației. Procedând astfel, volumul specific este în cele din urmă determinat.
Imaginea de mai jos ilustrează fiecare dintre pașii pentru a ajunge la expresia finală a volumului specific al unui gaz ideal.
Referințe
- Wikipedia. (2018). Volum specific. Preluat de la: en.wikipedia.org
- Study.com. (21 august 2017). Ce este volumul specific? - Definiție, formulă și unități preluate de la: studiu.com
- OALĂ. (5 mai 2015). Volum specific. Luat de la: grc.nasa.gov
- Michael J. Moran și Howard N. Shapiro. (2004). Bazele termodinamicii tehnice. (Ediția a II-a). Editorial Reverté, pagina 13.
- Unitatea 1: Concepte de termodinamică. . Preluat de la: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). Aplicații principale pentru Steam. Luat de la: tlv.com