A capacidade de calor é a capacidade de absorver alguma quantidade de calor durante o aquecimento ou distribuí-lo quando resfriado. A capacidade calorífica de um corpo é a razão entre uma quantidade infinitesimal de calor que um corpo recebe e o aumento correspondente em seus indicadores de temperatura. O valor é medido em J/K. Na prática, um valor ligeiramente diferente é usado - capacidade de calor específico.

Definição

O que significa capacidade calorífica específica? Esta é uma quantidade relacionada a uma única quantidade de uma substância. Assim, a quantidade de uma substância pode ser medida em metros cúbicos, quilogramas ou mesmo em moles. Do que depende? Em física, a capacidade calorífica depende diretamente de qual unidade quantitativa se refere, o que significa que eles distinguem entre capacidade calorífica molar, massa e volumétrica. Na indústria da construção, você não encontrará medições molares, mas outras - o tempo todo.

O que afeta a capacidade calorífica específica?

Você sabe o que é capacidade de calor, mas quais valores afetam o indicador ainda não está claro. O valor do calor específico é afetado diretamente por vários componentes: a temperatura da substância, a pressão e outras características termodinâmicas.

À medida que a temperatura do produto aumenta, sua capacidade calorífica específica aumenta, no entanto, certas substâncias diferem em uma curva completamente não linear nessa dependência. Por exemplo, com um aumento nos indicadores de temperatura de zero a trinta e sete graus, a capacidade de calor específico da água começa a diminuir e, se o limite estiver entre trinta e sete e cem graus, o indicador, ao contrário, será aumentar.

Vale a pena notar que o parâmetro também depende de como as características termodinâmicas do produto (pressão, volume e assim por diante) podem mudar. Por exemplo, o calor específico a uma pressão estável e a um volume estável será diferente.

Como calcular o parâmetro?

Você está interessado em qual é a capacidade de calor? A fórmula de cálculo é a seguinte: C \u003d Q / (m ΔT). Quais são esses valores? Q é a quantidade de calor que o produto recebe quando aquecido (ou liberado pelo produto durante o resfriamento). m é a massa do produto e ΔT é a diferença entre as temperaturas final e inicial do produto. Abaixo está uma tabela da capacidade calorífica de alguns materiais.

O que pode ser dito sobre o cálculo da capacidade calorífica?

Calcular a capacidade calorífica não é uma tarefa fácil, principalmente se forem utilizados apenas métodos termodinâmicos, é impossível fazê-lo com mais precisão. Portanto, os físicos usam os métodos da física estatística ou o conhecimento da microestrutura dos produtos. Como calcular para o gás? A capacidade calorífica de um gás é calculada a partir do cálculo da energia média do movimento térmico de moléculas individuais em uma substância. Os movimentos das moléculas podem ser do tipo translacional e rotacional, e dentro de uma molécula pode haver um átomo inteiro ou vibração de átomos. A estatística clássica diz que para cada grau de liberdade dos movimentos rotacionais e translacionais, existe um valor molar, que é igual a R/2, e para cada grau de liberdade vibracional, o valor é igual a R. Essa regra também é chamada de lei de equipartição.

Nesse caso, uma partícula de um gás monoatômico difere por apenas três graus de liberdade de translação e, portanto, sua capacidade calorífica deve ser igual a 3R/2, o que está em excelente acordo com o experimento. Cada molécula de gás diatômico tem três graus de liberdade translacionais, dois rotacionais e um vibracional, o que significa que a lei de equipartição será 7R/2, e a experiência mostrou que a capacidade calorífica de um mol de um gás diatômico à temperatura normal é 5R/ 2. Por que houve tal discrepância na teoria? Tudo se deve ao fato de que, ao estabelecer a capacidade calorífica, será necessário levar em consideração vários efeitos quânticos, ou seja, usar a estatística quântica. Como você pode ver, a capacidade de calor é um conceito bastante complicado.

A mecânica quântica diz que qualquer sistema de partículas que oscilam ou giram, incluindo uma molécula de gás, pode ter certos valores discretos de energia. Se a energia do movimento térmico no sistema instalado for insuficiente para excitar as oscilações da frequência necessária, essas oscilações não contribuem para a capacidade calorífica do sistema.

Nos sólidos, o movimento térmico dos átomos é uma oscilação fraca em torno de certas posições de equilíbrio, isso se aplica aos nós da rede cristalina. Um átomo tem três graus de liberdade vibracional e, de acordo com a lei, a capacidade térmica molar de um corpo sólido é igual a 3nR, onde n é o número de átomos presentes na molécula. Na prática, esse valor é o limite ao qual tende a capacidade calorífica do corpo em altas temperaturas. O valor é alcançado com mudanças normais de temperatura em muitos elementos, isso se aplica a metais, bem como a compostos simples. A capacidade calorífica do chumbo e de outras substâncias também é determinada.

O que pode ser dito sobre baixas temperaturas?

Já sabemos o que é capacidade calorífica, mas se falarmos de baixas temperaturas, como será calculado o valor então? Se estamos falando de indicadores de baixa temperatura, a capacidade de calor de um corpo sólido acaba sendo proporcional T 3 ou a chamada lei da capacidade calorífica de Debye. O principal critério para distinguir altas temperaturas de baixas é a comparação usual delas com um parâmetro característico de uma determinada substância - esta pode ser a temperatura característica ou Debye q D . O valor apresentado é definido pelo espectro de vibração dos átomos no produto e depende significativamente da estrutura cristalina.

Nos metais, os elétrons de condução contribuem para a capacidade calorífica. Esta parte da capacidade calorífica é calculada usando a estatística de Fermi-Dirac, que leva em consideração os elétrons. A capacidade calorífica eletrônica de um metal, que é proporcional à capacidade calorífica usual, é um valor relativamente pequeno e contribui para a capacidade calorífica do metal apenas em temperaturas próximas ao zero absoluto. Então a capacidade de calor da rede se torna muito pequena e pode ser desprezada.

Capacidade de calor em massa

A capacidade de calor específico de massa é a quantidade de calor que é necessária para ser levada a uma unidade de massa de uma substância para aquecer o produto por unidade de temperatura. Este valor é denotado pela letra C e é medido em joules dividido por um quilograma por kelvin - J / (kg K). Isso é tudo o que diz respeito à capacidade calorífica da massa.

O que é capacidade calorífica volumétrica?

A capacidade volumétrica de calor é uma certa quantidade de calor que precisa ser trazida para uma unidade de volume de produção para aquecê-la por unidade de temperatura. Este indicador é medido em joules dividido por um metro cúbico por kelvin ou J / (m³ K). Em muitos livros de referência de construção, é a capacidade de calor específico da massa no trabalho que é considerada.

Aplicação prática da capacidade calorífica na indústria da construção

Muitos materiais de uso intensivo de calor são usados ​​ativamente na construção de paredes resistentes ao calor. Isso é extremamente importante para casas caracterizadas por aquecimento periódico. Por exemplo, forno. Os produtos de uso intensivo de calor e as paredes construídas a partir deles acumulam perfeitamente o calor, armazenam-no durante os períodos de aquecimento e liberam calor gradualmente após o desligamento do sistema, permitindo assim manter uma temperatura aceitável durante todo o dia.

Assim, quanto mais calor for armazenado na estrutura, mais confortável e estável será a temperatura nos quartos.

Deve-se notar que o tijolo e o concreto comuns usados ​​​​na construção de moradias têm uma capacidade térmica significativamente menor que o poliestireno expandido. Se tomarmos ecowool, ele consome três vezes mais calor do que o concreto. Deve-se notar que na fórmula para calcular a capacidade calorífica, não é em vão que há massa. Devido à grande massa de concreto ou tijolo, em comparação com a ecowool, permite acumular grandes quantidades de calor nas paredes de pedra das estruturas e suavizar todas as flutuações diárias de temperatura. Apenas uma pequena massa de isolamento em todas as casas de estrutura, apesar da boa capacidade de calor, é a área mais fraca para todas as tecnologias de estrutura. Para resolver este problema, impressionantes acumuladores de calor são instalados em todas as casas. O que é isso? São peças estruturais caracterizadas por uma grande massa com um índice de capacidade térmica bastante bom.

Exemplos de acumuladores de calor na vida

O que poderia ser? Por exemplo, algumas paredes internas de tijolos, um grande fogão ou lareira, betonilhas de concreto.

Móveis em qualquer casa ou apartamento é um excelente acumulador de calor, porque madeira compensada, aglomerado e madeira podem armazenar calor apenas por quilo de peso três vezes mais do que o famoso tijolo.

Existem desvantagens no armazenamento térmico? Obviamente, a principal desvantagem dessa abordagem é que o acumulador de calor precisa ser projetado no estágio de criação de um layout de casa de madeira. Tudo devido ao fato de ser muito pesado, e isso precisará ser levado em consideração ao criar a fundação e, em seguida, imaginar como esse objeto será integrado ao interior. Vale dizer que é preciso levar em conta não apenas a massa, será necessário avaliar ambas as características no trabalho: massa e capacidade calorífica. Por exemplo, se você usar ouro com um peso incrível de vinte toneladas por metro cúbico como dispositivo de armazenamento de calor, o produto funcionará como deveria apenas vinte e três por cento melhor que um cubo de concreto, que pesa duas toneladas e meia.

Qual substância é mais adequada para um armazenamento de calor?

O melhor produto para um acumulador de calor não é concreto e tijolo! Cobre, bronze e ferro fazem um bom trabalho, mas são muito pesados. Curiosamente, mas o melhor acumulador de calor é a água! O líquido tem uma capacidade térmica impressionante, a maior entre as substâncias disponíveis para nós. Apenas os gases hélio (5190 J / (kg K) e hidrogênio (14300 J / (kg K)) têm maior capacidade calorífica, mas são problemáticos para aplicar na prática. Se desejar e precisar, consulte a tabela de capacidade calorífica das substâncias você precisa.

Vamos agora introduzir uma característica termodinâmica muito importante chamada capacidade de calor sistemas(tradicionalmente indicado pela letra A PARTIR DE com diferentes índices).

Capacidade calorífica - valor aditivo, depende da quantidade de substância no sistema. Por isso, apresentamos também calor específico

Calor específicoé a capacidade calorífica por unidade de massa de uma substância

e capacidade de calor molar

Capacidade de calor molaré a capacidade calorífica de um mol de uma substância

Como a quantidade de calor não é uma função de estado e depende do processo, a capacidade calorífica também dependerá da forma como o calor é fornecido ao sistema. Para entender isso, vamos relembrar a primeira lei da termodinâmica. Dividindo a igualdade ( 2.4) por incremento elementar de temperatura absoluta dT, obtemos a relação

O segundo termo, como vimos, depende do tipo de processo. Notamos que no caso geral de um sistema não ideal, a interação de cujas partículas (moléculas, átomos, íons, etc.) , a energia interna depende não apenas da temperatura, mas também do volume do sistema. Isso é explicado pelo fato de que a energia de interação depende da distância entre as partículas que interagem. Quando o volume do sistema muda, a concentração de partículas muda, respectivamente, a distância média entre elas muda e, como resultado, a energia de interação e toda a energia interna do sistema mudam. Em outras palavras, no caso geral de um sistema não ideal

Portanto, no caso geral, o primeiro termo não pode ser escrito como uma derivada total, a derivada total deve ser substituída por uma derivada parcial com uma indicação adicional do valor constante em que é calculada. Por exemplo, para um processo isocórico:

.

Ou para um processo isobárico

A derivada parcial incluída nesta expressão é calculada usando a equação de estado do sistema, escrita como . Por exemplo, no caso particular de um gás ideal

esta derivada é

.

Vamos considerar dois casos especiais correspondentes ao processo de fornecimento de calor:

• volume constante;
• pressão constante no sistema.

No primeiro caso, trabalhar dÀ = 0 e obtemos a capacidade calorífica CV gás ideal a volume constante:

Levando em conta a ressalva feita acima, para uma relação de sistema não ideal (2.19) deve ser escrito na seguinte forma geral

Substituindo em 2.7 em , e em , obtemos imediatamente:

.

Para calcular a capacidade calorífica de um gás ideal Com p pressão constante ( dp=0) levamos em conta que da equação ( 2.8) segue a expressão para o trabalho elementar com uma mudança infinitesimal na temperatura

Chegamos no final

Dividindo esta equação pelo número de moles de uma substância no sistema, obtemos uma relação semelhante para capacidades de calor molar a volume e pressão constantes, chamada Razão de Mayer

Para referência, damos uma fórmula geral - para um sistema arbitrário - conectando as capacidades térmicas isocóricas e isobáricas:

As expressões (2.20) e (2.21) são obtidas desta fórmula substituindo nela a expressão para a energia interna de um gás ideal e usando sua equação de estado (veja acima):

.

A capacidade calorífica de uma dada massa de matéria a pressão constante é maior que a capacidade calorífica a volume constante, uma vez que parte da energia de entrada é gasta na realização de trabalho e para o mesmo aquecimento é necessário mais calor. Observe que de (2.21) segue o significado físico da constante do gás:

Assim, a capacidade calorífica acaba por depender não só do tipo de substância, mas também das condições em que ocorre o processo de mudança de temperatura.

Como podemos ver, as capacidades caloríficas isocóricas e isobáricas de um gás ideal não dependem da temperatura do gás; para substâncias reais, essas capacidades caloríficas dependem, em geral, também da própria temperatura. T.

As capacidades caloríficas isocóricas e isobáricas de um gás ideal também podem ser obtidas diretamente da definição geral, usando as fórmulas obtidas acima ( 2.7) e (2.10 ) para a quantidade de calor obtida por um gás ideal nesses processos.

Para um processo isocórico, a expressão para CV segue de ( 2.7):

Para um processo isobárico, a expressão para Cp segue de (2.10):

Por capacidades de calor molares daí as seguintes expressões são obtidas

A razão das capacidades de calor é igual ao índice adiabático:

No nível termodinâmico, é impossível prever o valor numérico g; conseguimos fazer isso apenas considerando as propriedades microscópicas do sistema (ver expressão (1.19 ), bem como ( 1.28) para uma mistura de gases). Das fórmulas (1.19) e (2.24), seguem-se as previsões teóricas para as capacidades caloríficas molares dos gases e o expoente adiabático.

Gases monoatômicos (eu = 3):

Gases diatômicos (eu = 5):

Gases poliatômicos (eu = 6):

Dados experimentais para várias substâncias são mostrados na Tabela 1.

tabela 1

Substância			g

Pode-se ver que o modelo simples de gases ideais geralmente descreve muito bem as propriedades dos gases reais. Observe que a concordância foi obtida sem levar em consideração os graus de liberdade vibracional das moléculas do gás.

Também demos os valores da capacidade calorífica molar de alguns metais à temperatura ambiente. Se imaginarmos a rede cristalina de um metal como um conjunto ordenado de bolas sólidas conectadas por molas a bolas vizinhas, então cada partícula só pode oscilar em três direções ( eu conto = 3), e cada um desses graus de liberdade está associado a uma k V T/2 e a mesma energia potencial. Portanto, uma partícula de cristal tem uma energia interna (oscilatória) k V T. Multiplicando pelo número de Avogadro, obtemos a energia interna de um mol

de onde vem o valor da capacidade calorífica molar

(Devido ao pequeno coeficiente de expansão térmica dos sólidos, eles não distinguem com p e cv). A relação acima para a capacidade calorífica molar dos sólidos é chamada a lei de Dulong e Petit, e a tabela mostra uma boa correspondência do valor calculado

com experimento.

Falando sobre a boa concordância entre as proporções acima e os dados experimentais, deve-se notar que ela é observada apenas em uma determinada faixa de temperatura. Em outras palavras, a capacidade calorífica do sistema depende da temperatura e as fórmulas (2.24) têm um escopo limitado. Considere a primeira Fig. 2.10, que mostra a dependência experimental da capacidade calorífica com televisão gás hidrogênio da temperatura absoluta T.

Arroz. 2.10. Capacidade térmica molar do hidrogênio gasoso Н2 a volume constante em função da temperatura (dados experimentais)

Abaixo, por brevidade, falamos sobre a ausência de certos graus de liberdade nas moléculas em determinadas faixas de temperatura. Mais uma vez, lembramos que na verdade estamos falando do seguinte. Por razões quânticas, a contribuição relativa para a energia interna do gás de tipos individuais de movimento realmente depende da temperatura e em certos intervalos de temperatura pode ser tão pequena que no experimento - sempre realizado com precisão finita - não é perceptível. O resultado do experimento parece que esses tipos de movimento não existem e não há graus de liberdade correspondentes. O número e a natureza dos graus de liberdade são determinados pela estrutura da molécula e pela tridimensionalidade do nosso espaço - eles não podem depender da temperatura.

A contribuição para a energia interna depende da temperatura e pode ser pequena.

Em temperaturas abaixo 100 mil capacidade de calor

o que indica a ausência de graus de liberdade rotacional e vibracional na molécula. Além disso, com o aumento da temperatura, a capacidade calorífica aumenta rapidamente para o valor clássico

característica de uma molécula diatômica com uma ligação rígida, na qual não há graus de liberdade vibracionais. Em temperaturas acima 2.000 mil a capacidade calorífica descobre um novo salto para o valor

Este resultado também indica o aparecimento de graus de liberdade vibracionais. Mas tudo isso ainda parece inexplicável. Por que uma molécula não pode girar em baixas temperaturas? E por que as vibrações em uma molécula ocorrem apenas em temperaturas muito altas? No capítulo anterior, foi feita uma breve discussão qualitativa das razões quânticas para esse comportamento. E agora só podemos repetir que tudo se resume a fenômenos especificamente quânticos que não podem ser explicados do ponto de vista da física clássica. Esses fenômenos são discutidos em detalhes nas seções subsequentes do curso.

informação adicional

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - página 236 - tabela de temperaturas características de "ligação" de graus de liberdade vibracionais e rotacionais de moléculas para alguns gases específicos;

Passemos agora à fig. 2.11, representando a dependência das capacidades caloríficas molares de três elementos químicos (cristais) da temperatura. Em altas temperaturas, todas as três curvas tendem ao mesmo valor

correspondente à lei Dulong e Petit. O chumbo (Pb) e o ferro (Fe) praticamente têm essa capacidade térmica limitante já à temperatura ambiente.

Arroz. 2.11. A dependência da capacidade de calor molar para três elementos químicos - cristais de chumbo, ferro e carbono (diamante) - na temperatura

Para o diamante (C), esta temperatura ainda não é alta o suficiente. E em baixas temperaturas, todas as três curvas mostram um desvio significativo da lei de Dulong e Petit. Esta é outra manifestação das propriedades quânticas da matéria. A física clássica se mostra impotente para explicar muitas regularidades observadas em baixas temperaturas.

informação adicional

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Introdução à física molecular e termodinâmica, Ed. IL, 1962 - pp. 106-107, parte I, § 12 - a contribuição dos elétrons para a capacidade calorífica dos metais em temperaturas próximas ao zero absoluto;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Você conhece física? Biblioteca "Quantum", edição 82, Science, 1992. Página 132, questão 137: quais os corpos com maior capacidade calorífica (ver resposta na pág. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Você conhece física? Biblioteca "Quantum", edição 82, Science, 1992. Página 132, questão 135: sobre o aquecimento da água em três estados - sólido, líquido e vapor (ver resposta na p. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - enciclopédia física. Calorimetria. Métodos para medir capacidades de calor são descritos.

A mudança na energia interna ao realizar trabalho é caracterizada pela quantidade de trabalho, ou seja, O trabalho é uma medida da variação da energia interna em um determinado processo. A mudança na energia interna de um corpo durante a transferência de calor é caracterizada por uma quantidade chamada quantidade de calor.

é a variação da energia interna do corpo no processo de transferência de calor sem realizar trabalho. A quantidade de calor é indicada pela letra Q .

O trabalho, a energia interna e a quantidade de calor são medidos nas mesmas unidades - joules ( J), como qualquer outra forma de energia.

Nas medições térmicas, uma unidade especial de energia, a caloria ( fezes), igual a a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius (mais precisamente, de 19,5 a 20,5 ° C). Esta unidade, em particular, é atualmente utilizada no cálculo do consumo de calor (energia térmica) em edifícios de apartamentos. Empiricamente, o equivalente mecânico do calor foi estabelecido - a relação entre calorias e joules: 1 cal = 4,2 J.

Quando um corpo transfere uma certa quantidade de calor sem realizar trabalho, sua energia interna aumenta, se um corpo emite uma certa quantidade de calor, sua energia interna diminui.

Se você despejar 100 g de água em dois recipientes idênticos e 400 g em outro na mesma temperatura e colocá-los nos mesmos queimadores, a água no primeiro recipiente ferverá mais cedo. Assim, quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para aquecer. O mesmo vale para o resfriamento.

A quantidade de calor necessária para aquecer um corpo também depende do tipo de substância da qual esse corpo é feito. Essa dependência da quantidade de calor necessária para aquecer o corpo do tipo de substância é caracterizada por uma quantidade física chamada capacidade calorífica específica substâncias.

- esta é uma quantidade física igual à quantidade de calor que deve ser relatada a 1 kg de uma substância para aquecê-la em 1 ° C (ou 1 K). A mesma quantidade de calor é liberada por 1 kg de uma substância quando resfriada em 1 °C.

A capacidade calorífica específica é indicada pela letra Com. A unidade de calor específico é 1 J/kg °C ou 1 J/kg °K.

Os valores da capacidade calorífica específica das substâncias são determinados experimentalmente. Os líquidos têm uma capacidade de calor específico maior que os metais; A água tem a maior capacidade de calor específico, o ouro tem uma capacidade de calor específica muito pequena.

Como a quantidade de calor é igual à variação da energia interna do corpo, podemos dizer que a capacidade calorífica específica mostra o quanto a energia interna varia 1 kg substância quando sua temperatura muda 1°C. Em particular, a energia interna de 1 kg de chumbo, quando aquecido em 1 °C, aumenta em 140 J e, quando resfriado, diminui em 140 J.

Q necessário para aquecer a massa corporal m temperatura t 1 °С até a temperatura t 2 °С, é igual ao produto da capacidade calorífica específica da substância, massa corporal e a diferença entre as temperaturas final e inicial, ou seja.

Q \u003d c ∙ m (t 2 - t 1)

De acordo com a mesma fórmula, a quantidade de calor que o corpo emite quando resfriado também é calculada. Somente neste caso a temperatura final deve ser subtraída da temperatura inicial, ou seja, Subtraia a menor temperatura da maior temperatura.

Esta é uma sinopse sobre o tema. "Quantidade de calor. Calor específico". Escolha os próximos passos:

• Acesse o próximo resumo:

A água é uma das substâncias mais incríveis. Apesar de sua ampla distribuição e uso generalizado, é um verdadeiro mistério da natureza. Sendo um dos compostos de oxigênio, parece que a água deve ter características muito baixas, como congelamento, calor de vaporização, etc. Mas isso não acontece. A capacidade calorífica da água sozinha, apesar de tudo, é extremamente alta.

A água é capaz de absorver uma enorme quantidade de calor, enquanto praticamente não aquece - essa é sua característica física. a água é cerca de cinco vezes maior que a capacidade calorífica da areia e dez vezes maior que o ferro. Portanto, a água é um refrigerante natural. Sua capacidade de acumular uma grande quantidade de energia permite suavizar as flutuações de temperatura na superfície da Terra e regular o regime térmico em todo o planeta, e isso acontece independentemente da época do ano.

Esta propriedade única da água permite que ela seja usada como refrigerante na indústria e em casa. Além disso, a água é uma matéria-prima amplamente disponível e relativamente barata.

O que se entende por capacidade calorífica? Como é conhecido no curso da termodinâmica, a transferência de calor sempre ocorre de um corpo quente para um frio. Neste caso, estamos falando da transição de uma certa quantidade de calor, e a temperatura de ambos os corpos, sendo uma característica de seu estado, mostra a direção dessa troca. No processo de um corpo metálico com água de massa igual nas mesmas temperaturas iniciais, o metal muda sua temperatura várias vezes mais que a água.

Se tomarmos como postulado a principal afirmação da termodinâmica - de dois corpos (isolados dos outros), durante a troca de calor, um emite e o outro recebe uma quantidade igual de calor, fica claro que metal e água têm calor completamente diferente capacidades.

Assim, a capacidade calorífica da água (assim como de qualquer substância) é um indicador que caracteriza a capacidade de uma determinada substância de dar (ou receber) algum durante o resfriamento (aquecimento) por unidade de temperatura.

A capacidade calorífica específica de uma substância é a quantidade de calor necessária para aquecer uma unidade dessa substância (1 quilograma) em 1 grau.

A quantidade de calor liberada ou absorvida por um corpo é igual ao produto da capacidade de calor específico, massa e diferença de temperatura. É medido em calorias. Uma caloria é exatamente a quantidade de calor que é suficiente para aquecer 1 g de água em 1 grau. Para comparação: o calor específico do ar é 0,24 cal/g ∙°C, o alumínio é 0,22, o ferro é 0,11 e o mercúrio é 0,03.

A capacidade calorífica da água não é constante. Com um aumento na temperatura de 0 a 40 graus, ela diminui ligeiramente (de 1,0074 a 0,9980), enquanto para todas as outras substâncias essa característica aumenta durante o aquecimento. Além disso, pode diminuir com o aumento da pressão (em profundidade).

Como você sabe, a água tem três estados de agregação - líquido, sólido (gelo) e gasoso (vapor). Ao mesmo tempo, a capacidade calorífica específica do gelo é aproximadamente 2 vezes menor que a da água. Esta é a principal diferença entre a água e outras substâncias, cuja capacidade de calor específico no estado sólido e fundido não muda. Qual é o segredo aqui?

O fato é que o gelo tem uma estrutura cristalina, que não colapsa imediatamente quando aquecido. A água contém pequenas partículas de gelo, que consistem em várias moléculas e são chamadas de associados. Quando a água é aquecida, uma parte é gasta na destruição das ligações de hidrogênio nessas formações. Isso explica a capacidade excepcionalmente alta de calor da água. As ligações entre suas moléculas são completamente destruídas apenas quando a água passa para o vapor.

A capacidade calorífica específica a uma temperatura de 100°C quase não difere da do gelo a 0°C, o que mais uma vez confirma a exatidão dessa explicação. A capacidade calorífica do vapor, como a capacidade calorífica do gelo, é agora muito melhor compreendida do que a da água, sobre a qual os cientistas ainda não chegaram a um consenso.

A capacidade calorífica específica é uma característica de uma substância. Ou seja, é diferente para diferentes substâncias. Além disso, a mesma substância, mas em diferentes estados de agregação, possui diferentes capacidades de calor específico. Assim, é correto falar do calor específico de uma substância (o calor específico da água, o calor específico do ouro, o calor específico da madeira, etc.).

A capacidade calorífica específica de uma determinada substância mostra quanto calor (Q) deve ser transferido para ela para aquecer 1 quilograma dessa substância em 1 grau Celsius. A capacidade calorífica específica é indicada pela letra latina c. Ou seja, c = Q/mt. Considerando que t e m são iguais a um (1 kg e 1 °C), então a capacidade calorífica específica é numericamente igual à quantidade de calor.

No entanto, calor e calor específico têm unidades diferentes. O calor (Q) no sistema C é medido em Joules (J). E a capacidade calorífica específica é em Joules dividida por um quilograma multiplicado por um grau Celsius: J/(kg°C).

Se a capacidade calorífica específica de uma substância for, por exemplo, 390 J/(kg °C), isso significa que se 1 kg dessa substância for aquecido em 1 °C, ela absorverá 390 J de calor. Ou, em outras palavras, para aquecer 1 kg dessa substância em 1 °C, 390 J de calor devem ser transferidos para ela. Ou, se 1 kg dessa substância for resfriado a 1 ° C, emitirá 390 J de calor.

Se, no entanto, não 1, mas 2 kg de uma substância são aquecidos a 1 ° C, então o dobro de calor deve ser transferido para ela. Então, para o exemplo acima, já serão 780 J. O mesmo acontecerá se 1 kg de uma substância for aquecida a 2°C.

A capacidade calorífica específica de uma substância não depende de sua temperatura inicial. Ou seja, se, por exemplo, a água líquida tiver uma capacidade de calor específico de 4200 J / (kg ° C), o aquecimento de pelo menos vinte graus ou noventa graus de água em 1 ° C exigirá igualmente 4200 J de calor por 1 kg.

Mas o gelo tem uma capacidade de calor específico diferente da água líquida, quase duas vezes menor. No entanto, para aquecê-lo em 1 °C, é necessária a mesma quantidade de calor por 1 kg, independentemente de sua temperatura inicial.

A capacidade de calor específico também não depende da forma do corpo, que é feito de uma determinada substância. Uma barra de aço e uma chapa de aço, com a mesma massa, exigirão a mesma quantidade de calor para aquecê-las no mesmo número de graus. Outra coisa é que neste caso a troca de calor com o ambiente deve ser negligenciada. A folha tem uma superfície maior que a barra, o que significa que a folha emite mais calor e, portanto, esfriará mais rapidamente. Mas em condições ideais (quando a perda de calor pode ser negligenciada), a forma do corpo não desempenha um papel. Portanto, eles dizem que o calor específico é uma característica de uma substância, mas não de um corpo.

Assim, a capacidade de calor específico de diferentes substâncias é diferente. Isso significa que, se forem dadas substâncias diferentes da mesma massa e com a mesma temperatura, para aquecê-las a uma temperatura diferente, elas precisam transferir uma quantidade diferente de calor. Por exemplo, um quilograma de cobre exigirá cerca de 10 vezes menos calor que a água. Ou seja, a capacidade calorífica específica do cobre é cerca de 10 vezes menor que a da água. Podemos dizer que "menos calor é colocado no cobre".

A quantidade de calor que deve ser transferida para o corpo para aquecê-lo de uma temperatura para outra é encontrada pela seguinte fórmula:

Q \u003d cm (t a - t n)

Aqui t a e t n são as temperaturas final e inicial, m é a massa da substância, c é seu calor específico. A capacidade calorífica específica é geralmente obtida a partir de tabelas. A partir desta fórmula, a capacidade calorífica específica pode ser expressa.