La Capacidad Térmica
Capacidad Calorífica
Capacidad Calorífica
-------------------------- -----------------------
La capacidad térmica
capacidad calorífica
(normalmente denotada a menudo por una C con subíndices)
Es la magnitud física medible que caracteriza la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia una cantidad determinada. Las unidades de la capacidad térmica en el Sistema Internacional de Unidades es el joule por kelvin ( J · K -1 ).
Las magnitudes derivadas que especifican la capacidad térmica como una propiedad intensiva (es decir, independiente del tamaño de la muestra) son:
También se usa esporádicamente, en contextos de ingeniería, la capacidad térmica volumétrica .
La temperatura refleja la energía cinética media de las partículas en materia mientras que el calor consiste en la transferencia de energía térmica de regiones de alta temperatura en regiones de baja temperatura.
La energía térmica transmitida por calor se almacena en forma de energía cinética en átomos que se mueven y moléculas que rotan. Adicionalmente, la energía térmica también se puede almacenar en forma de energía potencial asociada con modos de vibración de alta energía.
La traslación, rotación y la combinación de los dos tipos de energía en vibración (cinética y potencial) de los átomos representan los grados de libertad del movimiento que contribuyen a la capacidad térmica de la materia atómica. En una escala microscópica, cada partícula del sistema absorbe energía térmica entre los pocos grados de libertad que tiene disponibles y, en temperaturas suficientemente elevadas, este proceso contribuye a la capacidad térmica específica que se aproxima a un valor por mol de partículas establecido por la ley de Dulong-Petit . El límite, que está situado a unos 25 julios por kelvin por cada mol de átomos, es alcanzado por muchas sustancias sólidas a temperatura ambiente .
Debido a razones mecanicoquànticas, a cualquier temperatura dada algunos de estos grados de libertad pueden no estar disponibles-o estar disponibles sólo parcialmente-para almacenar energía. En estos casos, la capacidad térmica específica será una fracción del máximo. Mientras la temperatura se aproxima al cero absoluto , la capacidad térmica específica del sistema también se aproxima a cero debido a la pérdida de grados de libertad disponibles. Se puede usar la teoría cuántica para predecir cuantitativamente las capacidades térmicas específicas en sistemas simples.
Unidades
Tal como se ha mencionado anteriormente, las unidades de la capacidad térmica son el joule por kelvin (J · K -1 ). En el caso de la capacidad térmica específica son J · kg -1 · K -1 , y en el caso de la capacidad térmica molar son J · mol -1 · K -1 . Tradicionalmente, sin embargo, se han utilizado otras unidades que actualmente ya no se usan porque no forman parte del Sistema Internacional de Unidades .
La más importante de ellas es la kilogramo-caloría (Cal)- a veces simplemente llamada "caloría" -.
La capacidad térmica específica del agua en esta escala sería, entonces, exactamente de 1 KCal · kg -1 · K -1 . Sin embargo, debido a la dependencia de la temperatura del calor específico, la caloría se definió de muchas más maneras. Una variante de la kilogramo-caloría es la gram-caloría (cal), que se define de manera que el calor específico del agua es 1 cal · g -1 · K -1 .
En países como los Estados Unidos tradicionalmente se han usado unidades como la libra caloría (lb-cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua un grado Celsius, en esta escala , el calor específico del agua es de 1 lb-cal · lb -1 · K -1 .
Una unidad algo más corriente aún hoy en día es la BTU ( British Thermal Unit ), que se define de tal manera que el calor específico del agua es de 1 BTU · lb -1 · ° F -1 .
Medida
La capacidad térmica de la mayoría de los sistemas no es constante, sino que depende de las variables de estado del sistema termodinámico que se está estudiando. En particular, depende de la propia temperatura así como de la presión y del volumen del sistema, y de las maneras en las que se ha permitido cambiar las presiones y los volúmenes mientras el sistema ha pasado de una temperatura a otra. La razón que lo explica es que el trabajo de la presión y el volumen hecho al sistema incrementa su temperatura mediante un mecanismo que no es el calentamiento, mientras que el trabajo de presión y volumen hecho por el sistema absorbe calor sin incrementar la temperatura del sistema.
Se pueden llevar a cabo diferentes medidas de la capacidad térmica. Normalmente se hacen a presión o volumen constante. Los valores medidos se indican, pues, con un subíndice p o v , respectivamente, para definir cómo han sido calculados. Los gases y líquidos normalmente se miden a volumen constante. Las medidas a presión constante dan unos valores más elevados que las hechas a volumen constante para los primeros también incluyen el energía calorífica usada para hacer el trabajo de expansión de la sustancia contra la presión constante mientras aumenta su temperatura. Esta diferencia es particularmente notable en gases: en estas sustancias los valores a presión constante suelen ser de un 30% a un 66,7% de más elevados que los valores a volumen constante.
Las calores específicos de sustancias formadas por moléculas (es decir, que no son gases monoatómicos ) no son constantes, sino que dependen de la temperatura. Es por eso que cuando se da el valor de calor específico de una sustancia, aparte de decir cómo se ha calculado (si a presión o volumen constante) con el correspondiente subíndice, también hay que indicar la temperatura a la que se llevó a cabo la medida.
Por otra parte, para líquidos y gases es importante saber la presión a la que se refiere un valor de capacidad térmica específica. La mayoría de datos que se pueden encontrar en listas se refieren a la presión estándar. Sin embargo, como hay muchas definiciones de las condiciones estándar de presión y temperatura es conveniente indicarlo. La IUPAC cambió su recomendación de presión (anteriormente de 1 atm ) a 100 kPa (≈ 750.062 torr ). Esto se hizo porque, aparte de ser un número redondo, es la presión equivalente a la presión media a una altitud de 112 metros, lo acerca más a la presión media de la altitud promedio donde habita la población humana (194 metros).
Cálculo a partir de los principios de la física
El método de la integral de Monte Carlo es una aproximación numérica para determinar los valores de la capacidad calorífica. Se basa en los principios dinámicos cuánticos. Sin embargo, se pueden hacer buenas aproximaciones para gases utilizando algunos métodos detallados a continuación.
Para sólidos compuestos por átomos relativamente pesados (con número atómico mayor que el del hierro), a temperaturas no criogénicas, la capacidad térmica a temperatura ambiente se acerca a 3 R = 24,94 julios por kelvin por mol de átomos.
-------------------------------------------------- -------------------- ------------------------
-------------------------- -----------------------
capacidad calorífica
(normalmente denotada a menudo por una C con subíndices)
Es la magnitud física medible que caracteriza la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia una cantidad determinada. Las unidades de la capacidad térmica en el Sistema Internacional de Unidades es el joule por kelvin ( J · K -1 ).
Las magnitudes derivadas que especifican la capacidad térmica como una propiedad intensiva (es decir, independiente del tamaño de la muestra) son:
- La capacidad térmica molar -capacidad térmica para mol de una sustancia pura-
- La capacidad térmica específica (también llamada simplemente calor específico )-capacidad térmica por unidad de masa del material.
También se usa esporádicamente, en contextos de ingeniería, la capacidad térmica volumétrica .
La temperatura refleja la energía cinética media de las partículas en materia mientras que el calor consiste en la transferencia de energía térmica de regiones de alta temperatura en regiones de baja temperatura.
La energía térmica transmitida por calor se almacena en forma de energía cinética en átomos que se mueven y moléculas que rotan. Adicionalmente, la energía térmica también se puede almacenar en forma de energía potencial asociada con modos de vibración de alta energía.
La traslación, rotación y la combinación de los dos tipos de energía en vibración (cinética y potencial) de los átomos representan los grados de libertad del movimiento que contribuyen a la capacidad térmica de la materia atómica. En una escala microscópica, cada partícula del sistema absorbe energía térmica entre los pocos grados de libertad que tiene disponibles y, en temperaturas suficientemente elevadas, este proceso contribuye a la capacidad térmica específica que se aproxima a un valor por mol de partículas establecido por la ley de Dulong-Petit . El límite, que está situado a unos 25 julios por kelvin por cada mol de átomos, es alcanzado por muchas sustancias sólidas a temperatura ambiente .
Debido a razones mecanicoquànticas, a cualquier temperatura dada algunos de estos grados de libertad pueden no estar disponibles-o estar disponibles sólo parcialmente-para almacenar energía. En estos casos, la capacidad térmica específica será una fracción del máximo. Mientras la temperatura se aproxima al cero absoluto , la capacidad térmica específica del sistema también se aproxima a cero debido a la pérdida de grados de libertad disponibles. Se puede usar la teoría cuántica para predecir cuantitativamente las capacidades térmicas específicas en sistemas simples.
Unidades
Tal como se ha mencionado anteriormente, las unidades de la capacidad térmica son el joule por kelvin (J · K -1 ). En el caso de la capacidad térmica específica son J · kg -1 · K -1 , y en el caso de la capacidad térmica molar son J · mol -1 · K -1 . Tradicionalmente, sin embargo, se han utilizado otras unidades que actualmente ya no se usan porque no forman parte del Sistema Internacional de Unidades .
La más importante de ellas es la kilogramo-caloría (Cal)- a veces simplemente llamada "caloría" -.
- Definida originalmente como la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua un grado Celsius (generalmente de 15 a 16 ° C).
La capacidad térmica específica del agua en esta escala sería, entonces, exactamente de 1 KCal · kg -1 · K -1 . Sin embargo, debido a la dependencia de la temperatura del calor específico, la caloría se definió de muchas más maneras. Una variante de la kilogramo-caloría es la gram-caloría (cal), que se define de manera que el calor específico del agua es 1 cal · g -1 · K -1 .
En países como los Estados Unidos tradicionalmente se han usado unidades como la libra caloría (lb-cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua un grado Celsius, en esta escala , el calor específico del agua es de 1 lb-cal · lb -1 · K -1 .
Una unidad algo más corriente aún hoy en día es la BTU ( British Thermal Unit ), que se define de tal manera que el calor específico del agua es de 1 BTU · lb -1 · ° F -1 .
Medida
La capacidad térmica de la mayoría de los sistemas no es constante, sino que depende de las variables de estado del sistema termodinámico que se está estudiando. En particular, depende de la propia temperatura así como de la presión y del volumen del sistema, y de las maneras en las que se ha permitido cambiar las presiones y los volúmenes mientras el sistema ha pasado de una temperatura a otra. La razón que lo explica es que el trabajo de la presión y el volumen hecho al sistema incrementa su temperatura mediante un mecanismo que no es el calentamiento, mientras que el trabajo de presión y volumen hecho por el sistema absorbe calor sin incrementar la temperatura del sistema.
Se pueden llevar a cabo diferentes medidas de la capacidad térmica. Normalmente se hacen a presión o volumen constante. Los valores medidos se indican, pues, con un subíndice p o v , respectivamente, para definir cómo han sido calculados. Los gases y líquidos normalmente se miden a volumen constante. Las medidas a presión constante dan unos valores más elevados que las hechas a volumen constante para los primeros también incluyen el energía calorífica usada para hacer el trabajo de expansión de la sustancia contra la presión constante mientras aumenta su temperatura. Esta diferencia es particularmente notable en gases: en estas sustancias los valores a presión constante suelen ser de un 30% a un 66,7% de más elevados que los valores a volumen constante.
Las calores específicos de sustancias formadas por moléculas (es decir, que no son gases monoatómicos ) no son constantes, sino que dependen de la temperatura. Es por eso que cuando se da el valor de calor específico de una sustancia, aparte de decir cómo se ha calculado (si a presión o volumen constante) con el correspondiente subíndice, también hay que indicar la temperatura a la que se llevó a cabo la medida.
Por otra parte, para líquidos y gases es importante saber la presión a la que se refiere un valor de capacidad térmica específica. La mayoría de datos que se pueden encontrar en listas se refieren a la presión estándar. Sin embargo, como hay muchas definiciones de las condiciones estándar de presión y temperatura es conveniente indicarlo. La IUPAC cambió su recomendación de presión (anteriormente de 1 atm ) a 100 kPa (≈ 750.062 torr ). Esto se hizo porque, aparte de ser un número redondo, es la presión equivalente a la presión media a una altitud de 112 metros, lo acerca más a la presión media de la altitud promedio donde habita la población humana (194 metros).
Cálculo a partir de los principios de la física
El método de la integral de Monte Carlo es una aproximación numérica para determinar los valores de la capacidad calorífica. Se basa en los principios dinámicos cuánticos. Sin embargo, se pueden hacer buenas aproximaciones para gases utilizando algunos métodos detallados a continuación.
- El método de Monte Carlo es una técnica de análisis numérico que se basa en el uso de secuencias de números aleatorios para muestrear los valores de las variables de probabilidad de un problema determinado. En efecto, con mucha frecuencia el numero de estados posibles del sistema es tan elevado que hace imposible calcular valares promedio sumando sobre todos los estados, por lo que se opta por tomar una muestra y estimar los valores promedio a partir de ella. Los valores muestreados se obtienen a partir de las distribuciones de probabilidad de cada variable. La solución al problema planteado se estima analizando los valares de la muestra a traves de rnetodos estadlsticos.
Para sólidos compuestos por átomos relativamente pesados (con número atómico mayor que el del hierro), a temperaturas no criogénicas, la capacidad térmica a temperatura ambiente se acerca a 3 R = 24,94 julios por kelvin por mol de átomos.
-------------------------------------------------- -------------------- ------------------------
Bibliografia:
www.wikipedia.org
Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2003.
Nueva Enciclopedia Tematica Grolier 2012
https://www.ecured.cu
-------------------------- -----------------------
------------------------------ ----------------------------- ----------
No hay comentarios:
Publicar un comentario