La capacità termica molare è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 mole di una sostanza di 1 unità & si calcola dividendo la capacità termica per il numero totale di moli.
Vi siete mai chiesti perché non ci scottiamo mentre usiamo una padella?
Ovviamente, è il manico che ci protegge, ma perché non diventa caldo come la padella stessa? È esposto alla stessa quantità di calore, dopo tutto.
Beh, per cominciare, un manico di padella è tipicamente fatto di plastica, il che significa che è un cattivo conduttore di calore. Inoltre, data la stessa quantità di esposizione al calore, l’aumento della temperatura del manico in plastica è molto inferiore a quello della parte in metallo. Questo è attribuito all’alta capacità termica del manico, rispetto al metallo di cui è fatta la padella.
La capacità termica è definita come la quantità di energia termica necessaria per aumentare la temperatura di una data massa di una sostanza di una unità. La capacità termica specifica e la capacità termica molare sono proprietà derivate dalla capacità termica di un materiale.
A causa dell’alta capacità termica del manico, non si scalda quanto la padella stessa (Photo Credit : Kzenon/).
Calore specifico & Calore specifico molare
La capacità termica è una proprietà estesa, cioè, dipende dalla quantità e dalle dimensioni della sostanza. In fisica, una forma modificata di capacità termica (chiamata capacità termica specifica o semplicemente calore specifico) è comunemente usata. Il calore specifico non varia con la quantità della sostanza ed è quindi una proprietà più utile.
Il calore specifico è definito come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un’unità di massa della sostanza di 1 unità di temperatura. Matematicamente, è la capacità termica di una sostanza divisa per la sua massa. La formula del calore specifico è:
Qui, c è il calore specifico e ha unità J/kg.K, C è la capacità termica di una sostanza in J/K e m è la massa della sostanza in chilogrammi. Un’altra formula molto importante usata per esprimere il calore specifico è:
Qui, c rappresenta nuovamente il calore specifico, ΔQ è la differenza di energia termica in joule, m è la massa della sostanza e ΔT è la differenza di temperatura in Kelvin.
In chimica – dove la quantità di una sostanza è solitamente misurata in moli, non in grammi – modificare ulteriormente la definizione e la formula della capacità termica per includere le moli rende le cose molto più semplici.
La capacità termica molare è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 mole di una sostanza di 1 Kelvin, non varia con la quantità di sostanza.
Matematicamente, è la capacità termica di una sostanza divisa per il numero di moli e si esprime come:
Qui, cm è la capacità termica molare (J/K.mol), C è la capacità termica (J/K), e n è il numero di moli (mol).
Il calore specifico e la capacità termica molare possono non variare con la quantità o la dimensione della sostanza, ma i loro valori fluttuano in base al metodo di determinazione.
Quando si fornisce energia termica a una sostanza, in particolare ai gas, l’aumento di temperatura è accompagnato da un aumento di volume o di pressione, e talvolta di entrambi. Questi fenomeni sono spiegati dalla legge di Charles e dalla legge di Gay-Lussac.
CP,m & CV,m sono spesso usati per rappresentare le capacità termiche molari misurate a pressione costante (isobarica) e a volume costante (isocora), rispettivamente.
Il valore del calore specifico molare a pressione costante è sempre maggiore di quello misurato a volume costante. Questo perché il calore fornito a pressione costante è utilizzato per produrre lavoro ed espandersi in volume, mentre il calore fornito a volume costante è interamente utilizzato per aumentare la temperatura della sostanza.
Il rapporto tra CP e CV è chiamato rapporto di capacità termica o indice adiabatico (γ = CP/CV), ed è un termine importante quando si lavora con processi reversibili in termodinamica. D’altra parte, la differenza tra CP,m & CV, m è uguale alla costante universale dei gas R. L’espressione CP,m – CV, m = R è chiamata relazione di Mayer.
Come calcolare la capacità termica molare di una sostanza?
Trovare la capacità termica di una sostanza, e quindi il suo calore specifico e la sua capacità termica molare, non è esattamente scienza missilistica. I valori possono essere calcolati semplicemente scomponendo le loro definizioni, trovando le singole quantità (la quantità di calore fornita o rimossa, la temperatura iniziale, la temperatura finale, la massa e il numero di moli della sostanza) e sostituendo questi valori nei loro rispettivi posti nelle formule.
Passo 1: Trovare la capacità termica
Come già definito, la capacità termica è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una quantità nota della sostanza di una unità. La definizione è espressa come:
Qui, C è la capacità termica, Q rappresenta l’energia termica e ΔT è la differenza di temperatura. ΔQ può anche sostituire Q.
ΔT è T1-T2, dove T1 è la temperatura iniziale e T2 è la temperatura finale della sostanza. Inizia annotando la temperatura iniziale/di partenza T1 con un termometro. Inoltre, pesare il campione (m) e annotare il valore in kg per un uso successivo.
In seguito, fornire una quantità nota di energia termica (Q) al sistema. La quantità di energia termica può essere annotata in joule o in calorie. Una volta che hai finito di fornire calore, aspetta che la temperatura si stabilizzi e annota la temperatura finale come T2.
Converti il valore della temperatura in Kelvin aggiungendo il numero 273,15 al valore Celsius (0°c = 273,15 K). Se il valore dell’energia termica fornita è disponibile in calorie, convertirlo in joule. Moltiplicate la quantità di energia termica in calorie per 4,184 per ottenere la quantità in joule (1 cal = 4,184 joule).
Infine, sostituite i valori di Q, T1 e T2 nella formula della capacità termica. Prendi una calcolatrice o usa il tuo cervello per eseguire i calcoli e ottenere la capacità termica del campione. Le unità di misura della capacità termica sono J/K.
Step 2: Trovare la capacità termica specifica o il calore specifico
La capacità termica specifica o il calore specifico si trovano facilmente dividendo la capacità termica del campione per la sua massa (c = C/m). Andate avanti e dividete il valore di C trovato nel passo precedente per il valore di m, anch’esso annotato nel passo precedente, per ottenere il calore specifico del campione. La quantità risultante avrà le unità J/kg.K
Passo 3: Determinazione della capacità termica molare
Se scorri indietro e dai un’occhiata alla formula della capacità termica molare (cm= C/n), troverai il termine ‘n’, che rappresenta il numero di moli del campione. Per trovare il numero di moli, dividi la quantità del campione per la sua massa molare.
Ora che avete trovato n, sostituisci il valore della capacità termica (C) e il numero di moli (n) nella formula e calcola la capacità termica molare.
Un altro metodo per determinare la capacità termica molare è moltiplicare il calore specifico (c) del campione per la sua massa molare (M). Quando fai questo, assicurati di convertire la massa molare in kg/mol.
Metodo alternativo – Usare un calorimetro
Un altro metodo per determinare il calore specifico di una sostanza è usare un calorimetro. Un calorimetro è un apparecchio scientifico composto dalle seguenti parti: un recipiente interno e uno esterno, un agitatore, un termometro, materiale isolante, ecc. Il recipiente interno o coppa contiene il materiale campione il cui calore specifico deve essere determinato. È posto al centro del recipiente esterno, che è riempito d’acqua. La procedura inizia annotando la massa e la temperatura iniziale sia dell’acqua che della sostanza campione.
Il calorimetro è usato per misurare il flusso di calore in una reazione; questa tecnica è chiamata calorimetria. (Photo Credit : Fouad A. Saad/)
Il campione viene poi riscaldato con dei fili di accensione. Quando la temperatura del campione sale al di sopra della temperatura dell’acqua esterna, inizia il trasferimento di calore tra i due. Dopo un certo periodo di tempo, il flusso elettrico viene spento e vengono misurate le temperature finali dell’acqua e del campione. L’energia termica persa dal materiale del campione sarà uguale al calore guadagnato dall’acqua nel recipiente esterno. Usiamo ora la formula ΔQ = mcΔT.
Per il campione, ΔQs= (mcΔT)s, e per l’acqua, ΔQw=(mcΔT)w.
Ma ΔQs = ΔQw. Quindi, (mcΔT)s = (mcΔT)w.
Sostituire i valori della massa del campione e dell’acqua (ms e mw, rispettivamente), la variazione di temperatura (ΔTs = T1s-T2s e ΔTw = T1w-T2w) e il calore specifico dell’acqua (cw) come 4,1796 kJ/kg.K per determinare il calore specifico del campione (cs). Una volta trovato il calore specifico della sostanza, moltiplicandolo per la sua massa molare si ottiene la capacità termica molare della sostanza.
Applicazioni della capacità termica
La capacità termica di una sostanza determina dove e quando può essere utilizzata. Per esempio, i manici e le impugnature degli utensili sono fabbricati con materiali ad alta capacità termica per la sicurezza degli utenti. I termometri, d’altra parte, sono fatti con materiali a bassa capacità termica specifica in modo da poter rilevare anche le più piccole fluttuazioni di temperatura.
Un altro esempio di questo è l’uso dell’acqua nei sistemi di raffreddamento dei motori. L’acqua ha la più alta capacità termica specifica tra tutti i liquidi. Per la stessa quantità di calore, l’aumento della temperatura dell’acqua è molto piccolo, rendendola una scelta ideale per un liquido/agente di raffreddamento.
Anche il fenomeno dell’acqua dell’oceano che rimane più fresca dell’aria e della sabbia circostante in una calda giornata estiva, nonostante sia esposta alla stessa quantità di calore del sole, può essere spiegato usando il concetto di capacità termica. L’alta capacità termica dell’acqua è responsabile di molti eventi naturali, tra cui il clima della Terra e la sopravvivenza della vita acquatica!