En termodinàmica, la capacitat calorífica específica (símbol ) d'una substància és la quantitat de calor que s'ha d'afegir a una unitat de massa de la substància per tal de provocar un augment d'una unitat de temperatura. També es coneix com a capacitat calorífica màssica o calor específica. Més formalment, és la capacitat calorífica d'una mostra de la substància dividida per la massa de la mostra. La unitat SI de capacitat calorífica específica és joule per kelvin per quilogram, J⋅kg −1 ⋅K −1 . Per exemple, la calor necessària per augmentar la temperatura d' d'aigua per és , de manera que la capacitat calorífica específica de l'aigua és .

La capacitat calorífica específica sovint varia amb la temperatura i és diferent per a cada estat de la matèria. L'aigua líquida té una de les capacitats calorífiques específiques més altes entre les substàncies comunes, al voltant de a 20 °C; però la del gel, just per sota de 0 °C, és només . Les capacitats calorífiques específiques del ferro, el granit i l'hidrogen gasós són d'uns 449 J⋅kg −1 ⋅K −1, 790 J⋅kg −1 ⋅K −1, i 14300 J⋅kg −1 ⋅K −1, respectivament. Mentre la substància experimenta una transició de fase, com ara la fusió o l'ebullició, la seva capacitat calorífica específica no està tècnicament definida, perquè la calor canvia el seu estat en lloc d'augmentar-ne la temperatura.

La capacitat calorífica específica d'una substància, especialment d'un gas, pot ser significativament més alta quan es permet que s'expandeixi a mesura que s'escalfa (capacitat calorífica específica a pressió constant) que quan s'escalfa en un recipient tancat que evita l'expansió (capacitat calorífica específica a volum constant ). Aquests dos valors es denoten normalment per i , respectivament; el seu quocient és la relació de capacitat calorífica.

El terme calor específica també es pot referir a la relació entre les capacitats calorífiques específiques d'una substància a una temperatura determinada i d'una substància de referència a una temperatura de referència, com ara l'aigua a 15°C;(2001): Columbia Encyclopedia, 6th ed.; as quoted by Encyclopedia.com. Columbia University Press. Accessed on 2019-04-11. de manera molt semblant a la gravetat específica. La capacitat calorífica específica també està relacionada amb altres mesures intensives de capacitat calorífica amb altres denominadors. Si la quantitat de substància es mesura com a nombre de mols, s'obté la capacitat calorífica molar, la unitat SI de la qual és joule per kelvin per mol, J⋅mol −1 ⋅K −1 . Si la quantitat es pren com el volum de la mostra (com es fa de vegades en enginyeria), s'obté la capacitat calorífica volumètrica, la unitat SI de la qual és joule per kelvin per metre cúbic, J⋅m −3 ⋅K −1.

Història miniatura|196x196px|Josep Black

Descobriment de la calor específica Un dels primers científics a utilitzar el concepte va ser Joseph Black, un metge del segle XVIII i professor de medicina a la Universitat de Glasgow. Va mesurar les capacitats calorífiques específiques de moltes substàncies, utilitzant el terme capacitat per a la calor. El 1756 o poc després, Black va començar un extens estudi de la calor. El 1760 es va adonar que quan es barregen dues substàncies diferents de massa igual però temperatures diferents, els canvis en el nombre de graus en les dues substàncies difereixen, tot i que la calor guanyada per la substància més freda i perduda per la més calenta és la mateixa. Black va relatar un experiment realitzat per Daniel Gabriel Fahrenheit en nom del metge neerlandès Herman Boerhaave. Per a més claredat, va descriure una variant hipotètica, però realista, de l'experiment: si masses iguals de 100 °F d'aigua i 150 °F de mercuri es barregen, la temperatura de l'aigua augmenta en 20 ° i la temperatura del mercuri disminueix en 30 ° (ambdós arribant a 120 °F), tot i que la calor guanyada per l'aigua i perduda pel mercuri és la mateixa. Això va aclarir la distinció entre calor i temperatura. També va introduir el concepte de capacitat calorífica específica, que és diferent per a diferents substàncies. Black va escriure: "El mercuri... té menys capacitat per a la matèria de la calor que l'aigua."

Definició La capacitat calorífica específica d'una substància, que normalment es denota per o , és la capacitat calorífica d'una mostra de la substància, dividida per la massa de la mostra: on representa la quantitat de calor necessària per augmentar uniformement la temperatura de la mostra en un petit increment .

Igual que la capacitat calorífica d'un objecte, la capacitat calorífica específica d'una substància pot variar, de vegades substancialment, depenent de la temperatura inicial. de la mostra i la pressió aplicat a ella. Per tant, s'ha de considerar una funció d'aquestes dues variables.

Aquests paràmetres se solen especificar quan es dóna la capacitat calorífica específica d'una substància. Per exemple, "Aigua (líquid): = 4187 J⋅kg −1 ⋅K −1 (15°C)." Quan no s'especifica, els valors publicats de la capacitat calorífica específica generalment són vàlids per a algunes condicions estàndard de temperatura i pressió.

Tanmateix, la dependència de sobre la temperatura i la pressió inicials sovint es poden ignorar en contextos pràctics, per exemple, quan es treballa en rangs estrets d'aquestes variables. En aquests contextos normalment s'omet el qualificador i aproxima la capacitat calorífica específica per una constant adequat per a aquests rangs.

La capacitat calorífica específica és una propietat intensiva d'una substància, una característica intrínseca que no depèn de la mida o la forma de la quantitat en qüestió. (El qualificador "específic" davant d'una propietat extensiva sovint indica una propietat intensiva derivada d'ella.)

Variacions La injecció d'energia calorífica en una substància, a més d'augmentar-ne la temperatura, sol provocar un augment del seu volum i/o de la seva pressió, depenent de com es confina la mostra. L'elecció feta sobre aquesta última afecta la capacitat calorífica específica mesurada, fins i tot per a la mateixa pressió inicial. i la temperatura inicial Dues opcions en particular són les més utilitzades:

Si la pressió es manté constant (per exemple, a la pressió atmosfèrica ambient) i es permet que la mostra s'expandeixi, l'expansió genera treball, ja que la força de la pressió desplaça el recinte o el fluid circumdant. Aquest treball ha de provenir de l'energia calorífica proporcionada. La capacitat calorífica específica així obtinguda es diu que es mesura a pressió constant (o isobàrica) i sovint es denota D'altra banda, si s'impedeix l'expansió per exemple, mitjançant un tancament prou rígid o augmentant la pressió externa per contrarestar la interna no es genera cap treball, i l'energia calorífica que hi hauria anat ha de contribuir a l'energia interna de la mostra, incloent-hi l'augment de la seva temperatura en una quantitat addicional. La capacitat calorífica específica obtinguda d'aquesta manera es diu que es mesura a volum constant (o isocòrica) i es denota com

El valor de sempre és inferior al valor de per a tots els fluids. Aquesta diferència és particularment notable en els gasos, on els valors a pressió constant solen ser entre un 30% i un 66,7% més grans que els de volum constant. Per tant, la relació de capacitat calorífica dels gasos sol estar entre 1,3 i 1,67.Lange's Handbook of Chemistry, 10th ed., page 1524.

Aplicabilitat La capacitat calorífica específica es pot definir i mesurar per a gasos, líquids i sòlids de composició i estructura molecular força generals. Aquests inclouen mescles de gasos, solucions i aliatges, o materials heterogenis com la llet, la sorra, el granit i el formigó, si es consideren a una escala prou gran.

La capacitat calorífica específica també es pot definir per a materials que canvien d'estat o composició a mesura que canvien la temperatura i la pressió, sempre que els canvis siguin reversibles i graduals. Així, per exemple, els conceptes són definibles per a un gas o líquid que es dissocia a mesura que augmenta la temperatura, sempre que els productes de la dissociació es recombinen ràpidament i completament quan aquesta baixa.

La capacitat calorífica específica no té sentit si la substància experimenta canvis químics irreversibles o si hi ha un canvi de fase, com ara la fusió o l'ebullició, a una temperatura brusca dins del rang de temperatures abastat per la mesura.

Mesura La capacitat calorífica específica d'una substància es determina normalment segons la definició; és a dir, mesurant la capacitat calorífica d'una mostra de la substància, generalment amb un calorímetre, i dividint-la per la massa de la mostra. Es poden aplicar diverses tècniques per estimar la capacitat calorífica d'una substància, com ara la calorimetria diferencial d'escombratge.

Les capacitats calorífiques específiques dels gasos es poden mesurar a volum constant, tancant la mostra en un recipient rígid. D'altra banda, mesurar la capacitat calorífica específica a volum constant pot ser prohibitivament difícil per a líquids i sòlids, ja que sovint es necessitarien pressions poc pràctiques per evitar l'expansió que causaria fins i tot petits augments de temperatura. En canvi, la pràctica habitual és mesurar la capacitat calorífica específica a pressió constant (permetent que el material s'expandeixi o es contregui com vulgui), determinar per separat el coeficient d'expansió tèrmica i la compressibilitat del material, i calcular la capacitat calorífica específica a volum constant a partir d'aquestes dades d'acord amb les lleis de la termodinàmica.

Unitats Sistema internacional La unitat SI per a la capacitat calorífica específica és joule per kelvin per quilogram , J⋅K −1 ⋅kg −1 . Com que un increment de temperatura d'un grau Celsius és el mateix que un increment d'un kelvin, això és el mateix que un joule per grau Celsius per quilogram: J/(kg⋅°C). De vegades s'utilitza el gram en lloc del quilogram per a la unitat de massa: 1 J⋅g −1 ⋅K −1 = 1000 J⋅kg −1 ⋅K −1 .

La capacitat calorífica específica d'una substància (per unitat de massa) té una dimensió L²⋅Θ − 1⋅T −2, o (L/T) ² /Θ. Per tant, la unitat SI J⋅kg − 1⋅K −1 és equivalent a metre quadrat per segon quadrat per kelvin ( m²⋅K −1⋅s −2 ).

Base física La temperatura d'una mostra d'una substància reflecteix l'energia cinètica mitjana de les seves partícules constituents (àtoms o molècules) en relació amb el seu centre de massa. Tanmateix, no tota l'energia proporcionada a una mostra d'una substància anirà a augmentar la seva temperatura, exemplificat mitjançant el teorema d'equipartició.

Gasos monoatòmics La mecànica estadística prediu que a temperatura ambient i pressions ordinàries, un àtom aïllat en un gas no pot emmagatzemar cap quantitat significativa d'energia excepte en forma d'energia cinètica, tret que hi hagi múltiples estats electrònics accessibles a temperatura ambient (tal és el cas del fluor atòmic). Per tant, la capacitat calorífica per mol a temperatura ambient és la mateixa per a tots els gasos nobles, així com per a molts altres vapors atòmics. Més precisament, i , on és la unitat de gas ideal (que és el producte de la constant de conversió de Boltzmann de la unitat d'energia microscòpica kelvin a la unitat d'energia macroscòpica joule, i el nombre d'Avogadro).

Per als gasos nobles, des de l'heli fins al xenó, aquests valors calculats són GasEllNeArKrXe4.0020.1739,9583,80131,29 (J⋅K −1 ⋅kg −1 )3118618.3312.2148,894,99 (J⋅K −1 ⋅kg −1 )51971031520.3248.0158.3

Gasos poliatòmics Una molècula de gas poliatòmica pot emmagatzemar energia en graus de llibertat addicionals. La seva energia cinètica contribueix a la capacitat calorífica de la mateixa manera que els gasos monoatòmics, però també hi ha contribucions de les rotacions de la molècula i la vibració dels àtoms entre si (inclosa l'energia potencial interna).

Derivacions de la capacitat calorífica Relació entre les capacitats calorífiques específiques