Capacità termica


Si definisce capacità termica di un corpo (o più in generale di un qualunque sistema) il rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l'ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue. Indica la quantità di calore da fornire a una sostanza per innalzarne la temperatura di un kelvin (K). Dire che una sostanza ha un'alta capacità termica significa che riesce ad assorbire tanto calore innalzando di poco la propria temperatura.[1]

In formule:[2]

\({\displaystyle C={\frac {Q}{\Delta T}}}\)

Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della capacità termica è il J/K. Esprime cioè la quantità di calore in joule (J), e la temperatura in kelvin (K).

Indice

Capacità termica unitaria e calore specifico


Lo stesso argomento in dettaglio: Calore specifico.

La capacità termica C è proporzionale alla capacità termica unitaria c e alla quantità di sostanza N:[2]

\({\displaystyle C=N\cdot c}\)

Analogamente, la capacità termica è uguale al prodotto tra il "calore specifico per unità di massa"\({\displaystyle c_{m}}\) e la massa del campione di sostanza M:

\({\displaystyle C=M\cdot c_{m}}\)

A differenza della capacità termica unitaria, che dipende solo dalla natura del materiale e non ha unità di misura, la grandezza più comune rappresentata dal calore specifico di un corpo dipende sia dalla natura del materiale, che dalla sua massa.

Per questo motivo nella letteratura tecnica sono state pubblicate tabelle relative ai valori dei calori specifici dei materiali, mentre purtroppo sono più rare le tabelle relative alle capacità termiche unitarie dei materiali.
Una volta noto il calore specifico è quindi sufficiente moltiplicarlo per la massa (se si tratta di calore specifico massico) o la quantità di sostanza (se si tratta di calore specifico numerico, o molare).[3]

In una trasformazione infinitesima, indicando con \({\displaystyle \delta Q}\) la quantità di calore assorbita dal corpo di massa m passando da una temperatura iniziale T alla temperatura T + dT, si ha:[4]

\({\displaystyle \delta Q=m\cdot c\cdot dT}\)

Tale relazione è valida solo se non si ha una transizione di fase, altrimenti bisogna utilizzare il calore latente \({\displaystyle \lambda }\) per esprimere il calore scambiato:

\({\displaystyle \delta Q=\lambda \cdot dm}\)

dove \({\displaystyle \delta Q}\) la quantità di calore necessaria per realizzare il passaggio di stato di una quantità di massa dm.

Relazione di Mayer


Lo stesso argomento in dettaglio: Calore specifico.

In termodinamica la capacità termica isocora (cv) corrisponde alla derivata parziale dell'energia interna rispetto alla temperatura:[1][5]

\({\displaystyle c_{v}={\frac {\partial u}{\partial T}}}\)

A pressione costante invece (cp) coincide con la derivata parziale dell'entalpia rispetto alla temperatura:[1]

\({\displaystyle c_{p}={\frac {\partial h}{\partial T}}}\)

Dalla definizione di entalpia (h = u + p/ρ), si ha che la differenza tra cp e cv è pari a:

\({\displaystyle {\frac {\partial h}{\partial T}}={\frac {\partial \left(u+{\frac {p}{\rho }}\right)}{\partial T}}={\frac {\partial u}{\partial T}}+{\frac {\partial \left({\frac {p}{\rho }}\right)}{\partial T}}}\)

essendo p e ρ la pressione e il volume e del sistema termodinamico preso in esame.

Per un solido o un liquido queste due quantità sono sostanzialmente uguali.[6]

Per un gas invece la differenza, pari al lavoro di espansione, è significativa ed è quindi opportuno specificare le condizioni del sistema. Con buona approssimazione, considerando una mole di gas, possiamo ricavare dalla relazione costitutiva dei gas ideali che:[7]

\({\displaystyle {\frac {\partial ({\frac {p}{\rho }})}{\partial T}}={\frac {\partial (NT)}{\partial T}}=N}\)

da cui:

\({\displaystyle c_{p}=c_{v}+R}\)

La precedente equazione, che lega le capacità termiche a mezzo della costante dei gas ideali, è la "legge di Mayer" per i gas ideali[8]

\({\displaystyle c_{p}=c_{v}+R}\)
Altrimenti può essere espressa anche considerando i calori specifici per unità di massa, dividendo l'espressione per la massa molecolare m.

Solidi


La capacità termica dei solidi monoatomici si può calcolare in modi diversi a seconda del modello che si utilizza:

I tre modelli portano a risultati equivalenti ad alte temperature, ma si discostano a temperature inferiori. I modelli di Einstein e Debye sono concordi anche a basse temperature ma si discostano a temperature intermedie.

Tutti questi modelli presentano differenze con i risultati sperimentali.

Dipendenza della capacità termica dalla temperatura


La capacità termica molare a pressione costante Cp e la capacità termica molare a volume costante Cv di una determinata sostanza variano con la temperatura. In alcune banche dati termodinamiche è possibile risalire alla relazione sperimentale, in genere polinomiale, che esprime queste due grandezze in funzione della temperatura.[9]

Note


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Categorie: Grandezze termodinamiche




Data: 12.05.2021 04:24:58 CEST

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