La capacitat calorífica (també coneguda com a capacitat tèrmica) és una propietat que indica la quantitat total de calor que pot absorbir o alliberar una substància o un sistema quan la seva temperatura canvia. Representa la capacitat dun objecte o sistema per emmagatzemar energia tèrmica.
És una termodinàmica extensiva que significa que el seu valor depèn de la quantitat de matèria. A més, el seu valor depèn d'altres propietats com la massa de l'objecte o sistema, la composició química, l'estructura i la capacitat per emmagatzemar energia tèrmica.
Definició, què és la capacitat calorífica?
La definició de capacitat calorífica es pot establir com la quantitat de calor que cal per elevar la temperatura d'un objecte o sistema en una unitat de temperatura (generalment graus Celsius o Kelvin).
S'expressa en unitats d'energia per grau Celsius o Kelvin, és a dir, com a juliols per grau Celsius (J/°C) o juliols per Kelvin (J/K).
Exemples de capacitats calorífiques
Aquí tens una taula que mostra exemples de capacitat calorífica de diferents materials i substàncies de pressió constant.
|
Substància |
Capacitat calorífica (J/g°C) |
Descripció |
|
Aigua |
4.18 |
L'aigua té una alta capacitat tèrmica i és essencial per a la regulació tèrmica a la Terra. |
|
Alumini |
0,90 |
L'alumini és un metall lleuger comunament utilitzat en aplicacions industrials. |
|
Ferro |
0,45 |
El ferro és un metall utilitzat sovint en la fabricació d'estructures i maquinària. |
|
Aire |
1.00 |
L'aire sec és una barreja de diferents gasos presents a l'atmosfera. |
|
Plom |
0,13 |
El plom és un metall pesat utilitzat en diverses aplicacions industrials i bateries. |
|
Etanol |
2.44 |
L'etanol és un alcohol comú i s'utilitza com a combustible i dissolvent. |
Tipus de capacitat calorífica
Hi ha diversos tipus de capacitats calorífiques que es fan servir per descriure com varia la capacitat d'un objecte o substància per emmagatzemar calor en diferents condicions. Els tipus més comuns de capacitats calorífiques són:
- Capacitat calorífica a volum constant (Cv): És la capacitat tèrmica d'un objecte o substància quan el volum es manté constant durant el procés de transferència de calor. En aquest cas, no hi ha feina feta per l'objecte o la substància i tota l'energia transferida es converteix en canvis d'energia interna. Cv sutilitza per descriure com canvia la temperatura dun sistema a volum constant.
- Capacitat calorífica a pressió constant (Cp): És la capacitat tèrmica d'un objecte o substància quan la pressió es manté constant durant el procés de transferència de calor. En aquest cas, l'objecte o la substància pot fer feina, com l'expansió o la compressió del sistema, a més d'absorbir o alliberar calor. Cp sutilitza per descriure com canvia la temperatura dun sistema a pressió constant.
Fórmula de la capacitat calorífica
La fórmula general per calcular la capacitat calorífica (C) d'un objecte o sistema es pot expressar de la manera següent:
C = Q / ΔT
On:
-
C és la capacitat calorífica.
-
Q és la quantitat de calor transferida o absorbida per l'objecte o el sistema.
-
ΔT és el canvi de temperatura experimentat per l'objecte o el sistema.
És important tenir en compte que la capacitat calorífica pot variar depenent de si el procés es fa a volum constant (Cv) oa pressió constant (Cp).
Fórmula de la capacitat calorífica molar
A més, en alguns casos, es fa servir la capacitat calorífica molar (Cm), que representa la capacitat tèrmica per mol de substància.
La fórmula general per a la capacitat tèrmica molar s'expressa de la manera següent:
Cm = C/n
On:
-
Cm és la capacitat calorífica molar.
-
C és la capacitat calorífica.
-
n és el nombre de mols de substància.
Importància de la capacitat calorífica
La capacitat calorífica és una propietat clau en nombrosos àmbits de la ciència i enginyeria. A continuació, explorem algunes de les aplicacions més rellevants:
Disseny i optimització de sistemes de transferència de calor
La capacitat calorífica és fonamental en el disseny de sistemes tèrmics com ara intercanviadors de calor, calderes i sistemes d'aire condicionat. Als intercanviadors de calor, se seleccionen fluids amb alta capacitat calorífica per maximitzar l'eficiència en la transferència tèrmica sense provocar canvis de temperatura bruscos.
A la indústria de la refrigeració, s'utilitzen gasos amb propietats tèrmiques específiques per millorar l'eficiència energètica dels sistemes de climatització i refrigeració industrial.
En els processos de generació d'energia, com les centrals solars tèrmiques i nuclears, els materials utilitzats a les calderes i canonades han de tenir una capacitat calorífica adequada per absorbir i transferir grans quantitats de calor sense patir danys estructurals.
Això també s'aplica a motors de combustió interna i en sistemes de refrigeració per evitar el sobreescalfament de components crítics.
Predicció de canvis de temperatura i equilibri tèrmic
La capacitat calorífica permet predir com variarà la temperatura d'un objecte o sistema quan se li afegeix o se li extreu calor. Per exemple, a la climatologia, aquesta propietat és clau per comprendre com els oceans emmagatzemen i alliberen calor, regulant el clima global i suavitzant les variacions de temperatura entre el dia i la nit.
En enginyeria, es fa servir per modelar el comportament tèrmic d'estructures i sistemes mecànics. Per exemple, a la construcció d'edificis sostenibles, se seleccionen materials amb alta capacitat calorífica per emmagatzemar la calor durant el dia i alliberar-la a la nit, millorant l'eficiència energètica. També s'aplica al disseny de bateries, on el control de temperatura és essencial per mantenir un rendiment òptim i perllongar la seva vida útil.
Estudi de processos d'escalfament i refredament
A la indústria i la investigació, comprendre com els materials i substàncies s'escalfen o refreden és essencial per optimitzar processos tèrmics. A la metal·lúrgia, la capacitat calorífica dels metalls influeix en el seu procés de tractament tèrmic, com el temperat i el recuit, que milloren les seves propietats mecàniques.
A la indústria alimentària, els processos de pasteurització i congelació depenen del control precís de l'escalfament i refredament dels productes. La capacitat calorífica dels ingredients determina la quantitat denergia necessària per assolir temperatures segures sense afectar la qualitat del producte. De la mateixa manera, a la producció de vidre i ceràmica, el refredament controlat evita tensions internes que podrien causar fractures.
Caracterització de propietats de materials
La capacitat calorífica és una propietat clau per a la caracterització tèrmica de materials com ara metalls, líquids, gasos i sòlids. A l'enginyeria de materials, s'utilitza per determinar quins materials són més adequats per a aplicacions que involucren exposició a altes temperatures o canvis tèrmics freqüents.
Per exemple, a la indústria aeroespacial, els materials de les naus espacials han de tenir una capacitat calorífica adequada per suportar la fricció extrema i les temperatures fluctuants durant el reingrés a l'atmosfera. A l'electrònica, es trien materials amb baixa capacitat calorífica per a dissipadors de calor, permetent la transferència eficient de calor lluny dels circuits sensibles.
Estudi de reaccions químiques
A la química, la capacitat calorífica és essencial per calcular la quantitat de calor absorbida o alliberada durant una reacció. En calorimetria, s'utilitza per mesurar l'entalpia de reaccions químiques, cosa que ajuda a comprendre'n la viabilitat i la seguretat.
Per exemple, a la indústria farmacèutica, l'estabilitat tèrmica dels compostos és crucial per garantir l'eficàcia dels medicaments durant l'emmagatzematge i el transport. A la producció de combustibles i explosius, s'estudia la capacitat calorífica dels materials per preveure com reaccionaran davant de canvis de temperatura i evitar riscos d'ignició o explosió.