Capacidad Calorfica

Capacidad CalorficaLa capacidad calorfica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energa calorfica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.

Tambin se puede definir a la capacidad calorfica de un cuerpo como la energa necesaria para aumentar una unidad de temperatura de una determinada sustanciaEsta es tambin una propiedad extensiva ya que su magnitud depende tanto de la sustancia como de la cantidad de materia que la componeNos sirve para indicar la dificultad con la que un cuerpo puede experimentar cambios de temperatura bajo suministro de calorMedida de la Capacidad CalorficaPara medir la capacidad calorfica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorfica viene dada por:

Donde:C es la capacidad calorfica, que en general ser funcin de las variables de estado.Q es el calor absorbido por el sistema.T la variacin de temperaturaC es la capacidad calorfica del cuerpo o sistemac es el calor especfico o capacidad calorfica especficam la masa de sustancia considerada

Capacidad Calorfica de Solidos y GasesLa capacidad calorfica de los slidos y gases depende, de acuerdo con el teorema de equiparticin de la energa, del nmero de grados de libertad que tiene una molcula, como se explicar a continuacin.

Gas monoatmicoUn gas monoatmico, como por ejemplo lo son los gases nobles, tiene molculas formadas por un slo tomo. Eso hace que la energa de rotacin, al ser la molcula casi puntual, pueda despreciarse. As en los gases monoatmicos la energa total est prcticamente toda en forma de energa cintica de traslacin. Como el espacio es tridimensional y existen tres grados de libertad de traslacin eso conduce de acuerdo con el teorema de equiparticin a que la energa interna total U de un gas ideal monoatmico y su capacidad calorfica CV vengan dadas por:

Donde T es la temperatura absoluta, N es el nmero de molculas de gas dentro del sistema que estudiamos, n el nmero de moles, k la constante de Boltzmann y R la constante universal de los gases ideales. As el calor especfico molar de un gas ideal monoatmico es simplemente cv = 3R/2 o cp = 5R/2. Los gases monoatmicos reales tambin cumplen las anteriores igualdades aunque de modo aproximado.

Gas diatmicoEn un gas diatmico la energa total puede encontrarse en forma de energa cintica de traslacin y tambin en forma de energa cintica de rotacin, eso hace que los gases diatmicos puedan almacenar ms energa a una temperatura dada. A temperatura prximas a la temperatura ambiente la energa interna y la capacidad calorficas vienen dadas por:

Para temperaturas extremadamente altas, la energa de vibracin de los enlaces empieza a ser importante y los gases diatmicos se desvan algo de las anteriores condiciones. A temperaturas an ms altas la contribucin del movimiento trmino de los electrones produce desviaciones adicionales. Sin embargo, todos los gases reales como el hidrgeno (H2), el oxgeno (O2), el nitrgeno (N2) o el monxido de carbono (CO), cumplen a temperaturas ambiente moderadas las anteriores relaciones. Por tanto estos gases tienen calores especficos o capacidades calorficas molares cercanos a cv = 5R/2.

Gases poliatmicosEl teorema de equiparticin para gases poliatmicos sugiere que los gases poliatmicos que tienen enlaces "blandos" o flexibles y que vibran con facilidad con q frecuencias, deberan tener una capacidad calorfica molar dada por:

Donde r mide los grados de libertad rotacionales (r = 1 para molculas lineales, r = 2 para molculas planas y r = 3 para molculas tridimensionales). Sin embargo estas predicciones no se cumplen a temperatura ambiente.

La capacidad calorfica molar aumenta moderadamente a medida que aumenta la temperatura. Eso se debe a efectos cunticos que hacen que los modos de vibracin estn cuantizados y slo estn accesibles a medida que aumenta la temperatura, y la expresin (*) slo puede ser un lmite a muy altas temperaturas. Sin embargo, antes de llegar a temperaturas donde esa expresin sea un lmite razonable muchas molculas se rompen por efecto de la temperatura, no llegando nunca al anterior lmite. Un tratamiento riguroso de la capacidad calorfica requiere por tanto el uso de la mecnica cuntica, en particular de la mecnica estadstica de tipo cuntico.

Calor especfico y capacidad calorfica de algunos materialesMaterial Calor especfico Densidad Capacidad calorfica volumtrica kcal/kg C kg/m kcal/m CAgua 1 1000 1000Acero 0,12 7850 950Tierra seca 0,44 1500 660Granito 0,19 2645 529Madera de roble 0,57 750 430Ladrillo 0,20 2000 400Madera de pino 0,6 640 384Piedra arenisca 0,17 2200 374Piedra caliza 0,22 2847 484Hormign 0,16 2300 350Mortero de yeso 0,2 1440 288Tejido de lana 0,32 111 35Poliestireno expandido 0,4 25 10Poliuretano expandido 0,38 24 9Fibra de vidrio 0,19 15 2,8Aire 0,24 1,2 0,29Calor Especfico el calor especfico es el cociente entre la capacidad calorfica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia

IntroduccinEl calor especfico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorfica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular.

Cuanto mayor es el calor especfico de las sustancias, ms energa calorfica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces ms energa para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma

El trmino "calor especfico" tiene su origen en el trabajo del fsico Joseph Black, quien realiz variadas medidas calorimtricas y us la frase capacidad para el calor.

En esa poca la mecnica y la termodinmica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el trmino podra parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podra ser transferencia de energa calorfica especfica, pero el trmino est demasiado arraigado para ser reemplazado.Ecuaciones bsicasEl calor especfico medio correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas ,se define en la forma:

El calor especfico (c) es una funcin de la temperatura del sistema; esto es, c(T). Esta funcin es creciente para la mayora de las sustancias (excepto para los gases monoatmicos y diatmicos). Esto se debe a efectos cunticos que hacen que los modos de vibracin estn cuantizados y slo estn accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la funcin c(T), la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial (Ti) a la final (Tf) se calcula mediante la integral siguiente:

considerando la aproximadamente cte.

Dilatacin TrmicaCambio de longitud por aumento decremento de temperatura

Qu es Dilatacin Trmica?

Se denomina dilatacin al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensin mtrica que sufre un cuerpo fsico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

Por qu se dilatan las sustancias con la temperatura?

Cuando se da calor a un slido se est dando energa a sus molculas, que estimuladas, vibran ms enrgicamente. Es cierto que no varan de volumen; pero se labran un espacio ms grande para su mayor oscilacin, de manera que al aumentar la distancia entre molcula y molcula el slido concluye por dilatarse.TIPOS DE DILATACIN

DILATACIN LINEALSe produce en alambres, varillas, barras, rieles, etc.

DILATACIN SUPERFICIAL (REA)Se produce en baldosas, vidrio, placas metlicas, etc.

DILATATACIN VOLUMTRICASe produce en gases, lquidos y cuerpos geomtricos.

DILATACIN TRMICA LINEAL

El coeficiente de dilatacin lineal, designado por L, para una dimensin lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y despus de cierto cambio de temperatura como:

Donde L, es el incremento de su integridad fsica cuando se aplica un pequeo cambio global y uniforme de temperatura T a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensin lineal que se considere, puede despejarse de la ecuacin anterior:

Tabla Valores de

SUSTANCIA C-1SUSTANCIA C-1Plomo29 x 10-6 Aluminio23 x 10-6Hielo52 x 10-6Bronce19 x 10-6Cuarzo0,6 x 10-6Cobre17 x 10-6Hule duro80 x 10-6Hierro12 x 10-6Acero12 x 10-6Latn19 x 10-6Mercurio182 x 10-6 Vidrio (comn) 9 x 10-6Oro14 x 10-6Vidrio (pirex) 3.3 x 10-6* En el intervalo de 0C a 100C, excepto para el hielo, que es desde 10C a 0C.