Como calcular a capacidade de calor

Se você observar a superfície de um lago congelado derreter lentamente em uma tarde de inverno atipicamente quente, e observar a mesma coisa ocorrer no superfície de uma poça congelada de bom tamanho nas proximidades, você pode observar o gelo em cada uma parece ser transformado em água mais ou menos no mesmo avaliar.

Mas e se toda a luz do sol que incide sobre a superfície exposta da lagoa, talvez um acre de tamanho, esteja simultaneamente focada na superfície da poça?

Sua intuição provavelmente lhe diz que não só a superfície da poça derreteria em água muito rapidamente, mas toda a poça pode até mesmo se transformar em vapor de água quase que instantaneamente, ignorando a fase líquida para se tornar um aquoso gás. Mas por que, do ponto de vista da ciência física, deveria ser assim?

Essa mesma intuição provavelmente está lhe dizendo que existe uma relação entre calor, massa e a mudança na temperatura do gelo, água ou ambos.

Acontece que este é o caso e a ideia se estende a outras substâncias também, cada uma com diferentes "resistências" ao calor, que se manifestam em diferentes mudanças de temperatura em resposta a uma determinada quantidade, se adicionada aquecer. Essas idéias se combinam para oferecer os conceitos de

O calor é uma das formas aparentemente incontáveis ​​da quantidade conhecida como energia na física. A energia tem unidades de força vezes distância, ou newton-metros, mas isso geralmente é chamado de joule (J). Em algumas aplicações, a caloria, igual a 4,18 J, é a unidade padrão; em outros ainda, o btu, ou unidade temática britânica, governa o dia.

O calor tende a "mover-se" das áreas mais quentes para as mais frias, ou seja, para regiões nas quais atualmente há menos calor. Embora o calor não possa ser retido ou visto, as mudanças em sua magnitude podem ser medidas por meio de mudanças na temperatura.

A temperatura é uma medida da energia cinética média de um conjunto de moléculas, como um copo d'água ou um recipiente com um gás. A adição de calor aumenta essa energia cinética molecular e, portanto, a temperatura, ao mesmo tempo que reduz a temperatura.

Por que um joule é igual a 4,18 calorias? Porque a caloria (cal), embora não seja a unidade SI de calor, é derivada de unidades métricas e é fundamental de uma forma: é a quantidade de calor necessário aumentar um grama de água à temperatura ambiente em 1 K ou 1 ° C. (Uma mudança de 1 grau na escala Kelvin é idêntica a uma mudança de 1 grau na escala Celsius; no entanto, os dois estão deslocados em cerca de 273 graus, de modo que 0 K = 273,15 ° C.)

• A "caloria" nos rótulos dos alimentos é na verdade uma quilocaloria (kcal), o que significa que uma lata de refrigerante açucarado de 12 onças contém cerca de 150.000 calorias verdadeiras.

A maneira como se pode determinar tal coisa por meio da experimentação, usando água ou alguma outra substância, é colocar uma determinada massa dela em um recipiente, adicione uma determinada quantidade de calor sem permitir que qualquer substância ou calor escape do conjunto e meça a mudança em temperatura.

Uma vez que você conhece a massa da substância e pode assumir que o calor e a temperatura são uniformes, você pode determinar por divisão simples quanto calor mudaria uma quantidade de unidade, como 1 grama, pelo mesmo temperatura.

A fórmula da capacidade de calor vem em várias formas, mas todas elas equivalem à mesma equação básica:

Q = mCΔT

Esta equação simplesmente afirma que a mudança no calor Q de um sistema fechado (líquido, gás ou sólido material) é igual à massa m da amostra vezes a mudança de temperatura ΔT vezes um parâmetro C chamado capacidade de calor específica, ou apenas calor específico. Quanto mais alto o valor de C, mais calor um sistema pode absorver enquanto mantém o mesmo aumento de temperatura.

A capacidade de calor é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um objeto em uma certa quantidade (geralmente 1 K), então as unidades do SI são J / K. O objeto pode ser uniforme ou não. Seria possível determinar aproximadamente a capacidade térmica de uma mistura de substâncias como a lama se você conhecia sua massa e mediu sua mudança de temperatura em resposta ao aquecimento em um dispositivo selado de alguns ordenar.

Uma quantidade mais útil em química, física e engenharia é capacidade de calor específico C, medido em unidades de calor por unidade de massa. As unidades de capacidade de calor específicas são geralmente joules por grama-kelvin, ou J / g⋅K, embora o quilograma (kg) seja a unidade SI de massa. Uma razão pela qual o calor específico é útil é que se você tem uma massa conhecida de uma substância uniforme e conhece seu calor capacidade, você pode julgar sua adequação para servir como um "dissipador de calor" para evitar riscos de incêndio em certos situações.

A água, na verdade, tem uma capacidade de calor muito alta. Considerando que o corpo humano deve ser capaz de tolerar a adição ou subtração de quantidades significativas de calor graças ao em condições variáveis, este seria um requisito básico de qualquer entidade biológica composta principalmente de água, já que quase todos os seres vivos de tamanho considerável coisas são.

Imagine um estádio esportivo com capacidade para 100.000 pessoas e outro do outro lado da cidade com capacidade para 50.000 pessoas. À primeira vista, é claro que a "capacidade total" absoluta do primeiro estádio é o dobro do segundo. Mas também imagine que o segundo estádio seja construído de tal forma que ocupe apenas um quarto do volume do primeiro.

Se você fizer a álgebra, verá que o estádio menor acomoda, na verdade, o dobro de pessoas por unidade de espaço como o maior, dando a ele o dobro do valor de "assento específico".

Nessa analogia, pense em espectadores individuais como unidades de calor de magnitude idêntica, fluindo para dentro e para fora do estádio. Enquanto o estádio maior pode conter o dobro de "calor" no geral, o estádio menor na verdade tem o dobro da capacidade de "armazenar" essa versão de "calor" por unidade de espaço.

Se cada seção do mesmo tamanho de ambos os estádios for considerada para produzir a mesma quantidade de lixo pós-jogo quando cheia, independentemente de quantas pessoas ele comporta, então o menor será duas vezes mais eficaz na redução do lixo de Individual espectadores; pense nisso como sendo duas vezes mais resiliente a aumentos de temperatura por unidade de calor adicionada.

A partir disso, você pode ver que se dois objetos com o mesmo calor específico têm massas diferentes, o maior terá uma capacidade de calor maior em uma quantidade que varia com o quanto ele tem mais massa. Ao comparar objetos de diferentes massas e diferentes calores específicos, a situação se torna mais complexa.

O cobre metálico tem um calor específico de 0,386 J / g⋅K. Quanto calor é necessário para elevar a temperatura de 1 kg (1.000 g ou 2,2 libras) de cobre de 0 ° C para 100 ° C?
Q = (m) (C) (ΔT) = (1.000 g) (0,386 J / g⋅K) (100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.

O que é capacidade de calor desse pedaço de cobre? Você precisa de 38.600 J para aumentar a massa inteira em 100 K, então você precisaria de 1/100 disso para aumentá-la em 1 K. Assim, a capacidade de calor do cobre neste tamanho é 386 J.