Capacitate termică masică
Căldura specifică (s) este un tip special de capacitate termică. Căldura specifică este o proprietate termodinamică care indică cantitatea de căldură necesară pentru ca o singură unitate de masă a unei substanțe să fie ridicată cu un grad de temperatură. Pentru substanțe, se observă diferite intervale de valori ale căldurii specifice, în funcție de gradul de absorbție a căldurii de către acestea. Termenul de capacitate termică poate induce în eroare, deoarece căldura q este termenul dat adaosului sau eliminării de energie, prin intermediul unei bariere, la o substanță sau la un sistem, ca urmare a creșterii, respectiv scăderii temperaturii. Modificările de temperatură sunt, de fapt, modificări de energie. Prin urmare, căldura specifică și alte forme de capacitate termică sunt mai exact măsuri ale capacității unei substanțe de a absorbi energie pe măsură ce crește temperatura substanței.
Unități
Unitățile sunt foarte importante pentru exprimarea oricărei proprietăți termodinamice; același lucru este valabil și pentru căldura specifică. Energia sub formă de căldură se exprimă în jouli (J) sau kilojouli (kJ), care sunt cele mai comune unități asociate cu energia. O unitate de masă se măsoară în grame sau kilograme în ceea ce privește căldura specifică. Pe un gram este forma standard utilizată în tabelele cu valorile căldurii specifice, dar uneori se întâlnesc referințe care utilizează un kilogram. Un grad de temperatură se măsoară fie pe scara Celsius, fie pe scara Kelvin, dar de obicei pe scara Celsius. Cele mai des asociate unități de măsură pentru căldura specifică sunt J/(g-°C).
Factori care determină căldura specifică
Temperatura și presiunea
Doi factori care modifică căldura specifică a unui material sunt presiunea și temperatura. Căldura specifică este definită la o presiune standard constantă (de obicei presiunea atmosferică) pentru materiale și este în general raportată la 25 °C (298,15 K). Se folosește o temperatură standard deoarece căldura specifică are o dependență de temperatură și se poate modifica la diferite valori de temperatură. Căldura specifică este menționată ca o proprietate intensivă (en:Intensive and extensive properties intensive property intensive.) Atâta timp cât temperatura și presiunea sunt la valorile standard de referință și nu are loc nicio schimbare de fază, valoarea căldurii specifice a oricărui material rămâne constantă indiferent de masa materialului prezent .
Grade de libertate energetică
Un factor important în ceea ce privește mărimea căldurii specifice a unui material se află la nivel molecular, în gradele de libertate energetică en:Degrees of freedom (physics and chemistry) gradele de libertate de care dispune materialul în faza (solid, lichid sau gaz) în care se găsește. Gradele de libertate energetică sunt de patru tipuri: de translație, de rotație, de vibrație și electronice. Pentru a atinge fiecare grad de libertate este necesară o cantitate minimă de energie. Prin urmare, cantitatea de energie care poate fi stocată într-o substanță depinde de tipul și de numărul de grade de libertate energetice care contribuie la substanța respectivă la o anumită temperatură. Lichidele au, în general, mai multe moduri cu energie scăzută și mai multe grade de libertate energetică decât solidele și majoritatea gazelor. Această gamă mai largă de posibilități în cadrul gradelor de libertate generează, de obicei, călduri specifice mai mari pentru substanțele lichide decât pentru solide sau gaze. Această tendință poate fi observată în en:Heat capacity#Table of specific heat capacities Tabelul capacităților termice specificeTable of specific heat capacitiesși prin compararea apei lichide cu apa solidă (gheață), cuprul, staniul, oxigenul și grafitul.
Utilizare
Căldura specifică este utilizată pentru a calcula cantitatea de căldură absorbită atunci când se adaugă energie la un material sau la o substanță prin creșterea temperaturii într-un interval definit. Calcularea cantității de căldură sau de energie adăugată unui material este un proces relativ ușor, atâta timp cât se înregistrează temperatura inițială și finală a materialului, se raportează masa materialului și se cunoaște căldura specifică. Căldura specifică, masa materialului și scara de temperatură trebuie să fie toate în aceleași unități pentru a efectua cu precizie calculul căldurii.
Ecuația pentru calcularea căldurii (q) este următoarea:
Q = s × m × ΔT
În ecuație, s este căldura specifică în (J/g-°C). m este masa substanței în grame. ΔT se referă la variația de temperatură (°C) observată în substanță. Convenția este de a scădea temperatura inițială a materialului din temperatura finală după încălzire, astfel încât ΔT este TFinal -TInițial în ecuație. Dacă se înlocuiesc toate valorile în ecuație și se înmulțesc, se anulează unitățile de masă și de temperatură, lăsând unitățile corespunzătoare de jouli pentru căldură. Calculele de acest tip sunt utile în en:Calorimetry calorimetry calorimetry
