Suponha que você derrame uma quantidade fixa de água em dois copos diferentes. Um copo é alto e estreito e o outro é alto e largo. Se a quantidade de água derramada em cada copo for a mesma, você esperaria que o nível de água fosse mais alto no copo estreito.
A largura desses baldes é análoga ao conceito de capacidade de calor específica. Nessa analogia, a água que está sendo despejada nos baldes pode ser considerada como a energia térmica sendo adicionada a dois materiais diferentes. O aumento no nível dos baldes é análogo ao aumento resultante na temperatura.
O que é capacidade térmica específica?
A capacidade térmica específica de um material é a quantidade de energia térmica necessária para elevar uma unidade de massa desse material em 1 Kelvin (ou grau Celsius). As unidades SI de capacidade de calor específica são J / kgK (joules por quilograma × Kelvin).
O calor específico varia dependendo das propriedades físicas de um material. Como tal, é um valor que você normalmente procura em uma tabela. O calor
Qadicionado a um material de massamcom capacidade de calor específicacresulta em uma mudança de temperaturaΔTdeterminado pela seguinte relação:Q = mc \ Delta T
O calor específico da água
A capacidade térmica específica do granito é 790 J / kgK, do chumbo é 128 J / kgK, do vidro é 840 J / kgK, do cobre é 386 J / kgK e da água é 4.186 J / kgK. Observe o quanto a capacidade de calor específico da água é muito maior em comparação com as outras substâncias da lista. Acontece que a água tem uma das maiores capacidades de calor específico de qualquer substância.
As substâncias com maiores capacidades de calor específicas podem ter temperaturas muito mais estáveis. Ou seja, suas temperaturas não irão flutuar tanto quando você adiciona ou remove energia térmica. (Lembre-se da analogia do copo no início deste artigo. Se você adicionar e subtrair a mesma quantidade de líquido no copo largo e no estreito, o nível muda muito menos no copo largo.)
É por isso que as cidades costeiras têm climas muito mais temperados do que as cidades do interior. Estar perto de um corpo de água tão grande estabiliza suas temperaturas.
A grande capacidade de calor específico da água também é o motivo pelo qual, quando você tira uma pizza do forno, o molho ainda vai queimar você mesmo depois que a crosta esfriar. O molho que contém água precisa liberar muito mais energia térmica antes de cair de temperatura em comparação com a crosta.
Exemplo de capacidade térmica específica
Suponha que 10.000 J de energia térmica seja adicionado a 1 kg de areia (cs = 840 J / kgK) inicialmente a 20 graus Celsius, enquanto a mesma quantidade de energia térmica é adicionada a uma mistura de 0,5 kg de areia e 0,5 kg de água, também inicialmente a 20 C. Como a temperatura final da areia se compara à temperatura final da mistura areia / água?
Solução:Primeiro, resolva a fórmula de calor paraΔTobter:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
Para a areia, então, você obtém a seguinte mudança na temperatura:
\ Delta T = \ frac {10.000} {1 \ vezes 840} = 11,9 \ texto {graus}
O que dá uma temperatura final de 31,9 C.
Para a mistura de areia e água, é um pouco mais complicado. Você não pode simplesmente dividir a energia térmica igualmente entre a água e a areia. Eles são misturados, então eles devem sofrer a mesma mudança de temperatura.
Embora você saiba a energia térmica total, não sabe quanto cada um recebe no início. DeixarQsseja a quantidade de energia do calor que a areia recebe eQCseja a quantidade de energia que a água obtém. Agora use o fato de queQ = Qs + QCpara obter o seguinte:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
Agora é fácil resolver paraΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
Conectar os números dá:
\ Delta T = \ frac {10.000} {0,5 \ vezes 840 + 0,5 \ vezes 4.186} = 4 \ texto {graus}
A mistura sobe apenas 4 C, para uma temperatura final de 24 C, significativamente mais baixa do que a areia pura!