Căldura specifică este o măsurătoare utilizată în termodinamică și calorimetrie care afirmă cantitatea de energie termică necesară pentru a crește temperatura unei anumite mase a unei anumite substanțe cu o anumită cantitate. În timp ce uneori sunt utilizate diferite scări de măsurare, acest termen se referă de obicei la cantitatea necesară pentru a ridica 1 gram de substanță cu 1.8 ° F (1 ° Celsius). Rezultă că, dacă unei substanțe se adaugă de două ori mai multă energie, temperatura acesteia ar trebui să crească de două ori mai mult. Căldura specifică este de obicei exprimată în jouli, unitatea folosită de obicei în chimie și fizică pentru a descrie energia. Este un factor important în știință, inginerie și în înțelegerea climei Pământului.
Căldură și temperatură
Energia termică și temperatura sunt două concepte diferite, iar înțelegerea diferenței este importantă. Prima este o cantitate din termodinamică care descrie cantitatea de schimbare pe care un sistem o poate provoca mediului său. Transferul acestei energii către un obiect face ca moleculele acestuia să se miște mai rapid; această creștere a energiei cinetice este ceea ce se măsoară sau se experimentează ca o creștere a temperaturii.
Caldura specifica si capacitate termica
Aceste două proprietăți sunt adesea confundate. Primul este numărul de jouli necesari pentru a crește temperatura unei mase date a unei substanțe cu o anumită unitate. Este întotdeauna dat „pe unitate de masă”, de exemplu, 0.45 j/g°C, care este căldura specifică a fierului, sau numărul de jouli de energie termică pentru a crește temperatura unui gram de fier cu un grad Celsius. Prin urmare, această valoare este independentă de cantitatea de fier.
Capacitatea de căldură – numită uneori „masă termică” – este numărul de jouli necesari pentru a crește temperatura unei anumite mase de material cu 1.8 °F (1 °Celsius) și este pur și simplu căldura specifică a materialului înmulțită cu masa acestuia. Se măsoară în jouli pe °C. Capacitatea termică a unui obiect din fier, și cântărind 100g, ar fi de 0.45 X 100, dând 45j/°C. Această proprietate poate fi privită ca capacitatea unui obiect de a stoca căldură.
Căldura specifică a unei substanțe este mai mult sau mai puțin adevărată într-o gamă largă de temperaturi, adică energia necesară pentru a produce o creștere cu un grad într-o anumită substanță variază doar puțin cu valoarea sa inițială. Nu se aplică, însă, atunci când substanța suferă o schimbare de stare. De exemplu, dacă căldură este aplicată continuu unei cantități de apă, aceasta va produce o creștere a temperaturii în conformitate cu căldura specifică a apei. Când se ajunge la punctul de fierbere, însă, nu va mai exista o creștere; în schimb, energia va intra în producerea de vapori de apă. Același lucru este valabil și pentru solide când se atinge punctul de topire.
O măsură depășită a energiei, caloriile, se bazează pe căldura specifică a apei. O calorie este cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă cu 1.8 ° F (1 ° C) la presiunea normală a aerului. Este echivalent cu 4.184 jouli. Pot fi date valori ușor diferite pentru căldura specifică a apei, deoarece variază puțin în funcție de temperatură și presiune.
Efecte
Substanțe diferite pot avea călduri specifice foarte diferite. Metalele, de exemplu, tind să aibă valori foarte scăzute. Aceasta înseamnă că se încălzesc rapid și se răcesc rapid; de asemenea, tind să se extindă semnificativ pe măsură ce devin mai fierbinți. Acest lucru are implicații pentru inginerie și proiectare: adesea trebuie luată în considerare extinderea pieselor metalice în structuri și mașini.
Apa, în schimb, are o căldură specifică foarte mare – de nouă ori mai mare decât cea a fierului și de 32 de ori mai mare decât cea a aurului. Datorită structurii moleculare a apei, este necesară o cantitate mare de energie pentru a-i crește temperatura chiar și cu o cantitate mică. De asemenea, înseamnă că apa caldă durează mult să se răcească.
Această proprietate este esențială pentru viața pe Pământ, deoarece apa are un efect stabilizator semnificativ asupra climei globale. În timpul iernii, oceanele se răcesc lent și eliberează o cantitate semnificativă de căldură în mediu, ceea ce ajută la menținerea temperaturii globale relativ stabile. În schimb, vara, este nevoie de multă căldură pentru a crește semnificativ temperatura oceanului. Acest lucru are un efect de moderare asupra climei. Interioarele continentale, departe de ocean, experimentează extreme mult mai mari de temperatură decât regiunile de coastă.