¿Por qué diferentes materiales tienen diferentes capacidades de calor específicas?

Answer 1

Gracias por la A2A!

Hay una sección completa en el artículo de Wikipedia sobre los factores que afectan la capacidad del calor, por lo que los vincularé allí durante la mayor parte de la discusión y solo agregaré algunos otros datos.

Para resumir, la capacidad de calor en una base por átomo depende del número de grados de libertad disponibles para un átomo. Esto se debe a que cada átomo puede almacenar energía en cada grado de libertad que tenga. Es importante usar una base por átomo porque simplemente agrupar más átomos en una sustancia aumentará su capacidad de calor. Por lo tanto, los materiales con más átomos por unidad de volumen generalmente tendrán mayores capacidades de calor en una base por masa y las moléculas más grandes tendrán una mayor capacidad de calor en una base por mol. Esto explica algunas de las variaciones.

Los gases ideales monatómicos tienen átomos que no interactúan y, por lo tanto, están limitados a tres grados de libertad, es decir, las tres direcciones del movimiento. Estos grados de libertad se denominan “cinéticos” porque la energía se almacena en el movimiento del átomo mismo. Esto limita la capacidad de calor molar de un gas ideal a 3 / 2R. Los gases ideales diatómicos tienen capacidades de calor muy diferentes que no son tan fáciles de predecir, por lo que lo remitiré a la excelente discusión en el artículo de wikipedia para obtener más información al respecto.

Cuando los átomos interactúan, ahora puedes pensar no solo cómo se mueve un átomo en sí, sino también cómo interactúa con los átomos que lo rodean. Estas interacciones a menudo se llaman grados de libertad “potenciales” porque implican almacenar energía en la energía potencial de una interacción entre dos átomos. Piense en este tipo de interacción en términos de dos átomos conectados por un resorte. Los dos átomos pueden rotar entre sí en dos direcciones y pueden cambiar la distancia entre ellos a lo largo de un solo eje. Estos son tres grados de libertad adicionales que están disponibles para unir materiales, por lo que, en total, los sólidos y líquidos con una unión más fuerte tienen seis grados de libertad disponibles para almacenar energía. Los líquidos generalmente tienen menos modos porque los enlaces son más débiles y, por lo tanto, no siempre pueden acceder a los grados de libertad vibracional y rotacional.

El argumento del grado de libertad establece un límite superior en las capacidades térmicas de todos los materiales en una base por átomo y esto se conoce como la ley de Dulong-Petit. Sin embargo, algunos materiales se desvían significativamente al tener capacidades de calor mucho más bajas y esto generalmente se debe al hecho de que la energía en general se cuantifica. La forma más fácil de demostrar esto es hablando de sólidos que tienen capacidades de calor que se ven así:

Donde [math] T_D [/ math] es la temperatura de Debye (ver el modelo de Debye) y es la temperatura a la que se activan todos los modos de fonón en un material. Básicamente, el modelo de Debye considera cómo los fonones (paquetes cuantificados de energía vibratoria en un material) viajan en un medio. Los fonones no pueden adoptar frecuencias infinitas porque su longitud de onda está limitada por el espacio entre los átomos y su velocidad está limitada por la velocidad del sonido en un material. A la temperatura de Debye, los fonones vibran a su frecuencia máxima (la energía más alta). Esto significa que antes de la temperatura de Debye, hay muchas maneras en que puede continuar almacenando energía, pero después de la temperatura de Debye, está mucho más limitado, lo que hace que la pendiente de la capacidad de calor cambie drásticamente. Algunas temperaturas de Debye son más bajas que la temperatura ambiente y otras son mucho más altas que la temperatura ambiente.

Entonces, la respuesta corta es que existe un límite superior a la capacidad de calor de cualquier material por átomo y los materiales se aproximan a este límite a diferentes velocidades debido a la disponibilidad de niveles de energía discretos. Los materiales que no pueden acceder a los niveles de energía a una temperatura específica tendrán, por consiguiente, una menor capacidad de calor.

Answer 2

Porque los objetos con diferentes estructuras moleculares tienen diferentes formas de almacenar energía. Dado que el calor específico es una propiedad de “conteo” macroscópico que cuenta la cantidad de energía que ciertos materiales pueden almacenar, son diferentes para diferentes materiales.

Por ejemplo: el gas argón es monoatómico porque está compuesto por varias moléculas de un solo átomo (Ar). Un solo átomo tiene solo “tres formas” de almacenar energía, lo que corresponde a moverse más rápido en las tres direcciones que conocemos (energía cinética de traslación). Un gas más complejo, el oxígeno, está compuesto de muchas moléculas de dos átomos de oxígeno (O2) y esta molécula tiene más formas de almacenar energía, principalmente girando (energía cinética de rotación) y moviéndose (energía cinética de traslación). Por lo tanto, la energía específica del oxígeno del gas debe ser más alta que la del argón porque tiene más formas de almacenar energía. Las moléculas más grandes, como puedes imaginar, tienen muchas otras formas de almacenar energía. El agua, por ejemplo, puede rotar de varias maneras, moverse, vibrar e interactuar con otras moléculas para almacenar energía, por lo que su calor específico es aún mayor.

Answer 3

En muchos casos, la diferencia en la capacidad de calor molar entre los materiales es un efecto cuántico intrínseco. Como lo señala Kit Kilgour, no es sorprendente que diferentes materiales tengan diferentes capacidades de calor específicas, ya que la capacidad de calor específica es “por unidad de masa” y diferentes materiales tienen diferentes números de partículas por unidad de masa. Lo que es más interesante, creo, es por qué la capacidad de calor molar (o “capacidad de calor por partícula”) difiere para diferentes sólidos.

En la termodinámica clásica, uno espera que la energía de un sistema sea [math] k_B T / 2 [/ math] para cada “grado de libertad”. ([math] k_B [/ math] es solo un factor de conversión de unidades entre las unidades estándar de temperatura y energía). En un sólido, la contribución principal a la capacidad de calor proviene de la vibración de los átomos que forman la red cristalina *. Para un sistema de N partículas que vibran cada una alrededor de una posición fija, cada partícula tiene seis grados de libertad (pueden moverse arriba / abajo, adelante / atrás o izquierda / derecha, y para cada dirección, el potencial y la energía cinética cuentan) como un grado separado de libertad). Entonces, de manera clásica, uno esperaría que las vibraciones tuvieran energía total [matemáticas] U = 3 N k_B T [/ matemáticas]. La capacidad de calor por partícula (a volumen constante) es solo la derivada de U / N con respecto a T, por lo que [math] C = 3 k_B [/ math]. Al conectar números, obtenemos una capacidad calorífica molar de [math] C = 3 k_B N_A \ approx 25 [/ math] J / (mol K). Si observa la capacidad de calor molar de algunos materiales a temperatura ambiente, encontrará muchos que están alrededor de este número. Por ejemplo, oro (25.4), sodio (28.2), zinc (25.4), bismuto (25.5) y muchos más (todos los números en J / (mol K)). Pero luego hay excepciones: berilio (16.4), boro (11.1), silicio (19.8). El carbono es el contraejemplo más extremo, con una capacidad calorífica molar de 8.5 J / (mol K) como grafito y 6.1 / (mol K) como diamante. Entonces, ¿por qué estos materiales no tienen la capacidad de calor clásicamente esperada? ¡Aquí es donde entra la física cuántica!

De acuerdo con la física cuántica, las cosas no pueden vibrar con cualquier cantidad de energía. Específicamente, para un objeto que vibra a la frecuencia f, la energía viene en los pasos [math] \ Delta E = hf [/ math], donde h es una constante – la constante de Planck. Así que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la separación entre los niveles de energía. En las frecuencias bajas, cuando la separación de energía es mucho menor que la energía térmica [math] k_B T [/ math], la cuantización no importa realmente, y solo obtiene la energía [math] k_B T / 2 [/ math] per grado de libertad. Si observa frecuencias cada vez más altas, finalmente la separación entre los niveles de energía será mayor que [math] k_BT [/ math]. Cuando esto sucede, cada vez es más improbable que las partículas puedan vibrar a esa frecuencia, incluso con la mínima cantidad de energía. Es decir, las partículas esencialmente no pueden vibrar en las frecuencias más altas. Los materiales tienen una frecuencia máxima particular a la cual las partículas pueden vibrar, lo que depende de la densidad y la velocidad del sonido en ese material. En muchos materiales, la separación del nivel de energía a la frecuencia máxima es menor que la energía térmica a temperatura ambiente. En ese caso, la aproximación clásica funciona bien. Pero en materiales donde las partículas son particularmente ligeras y / o estrechamente ligadas, los niveles de energía en las frecuencias más altas están lo suficientemente separados para que la vibración a estas frecuencias se suprima fuertemente a temperatura ambiente, lo que lleva a una capacidad de calor molar inferior.

Estos tipos de efectos cuánticos se muestran de manera similar en materiales más complicados, donde hay grados adicionales de libertad, como la rotación. Estos grados de libertad también se cuantifican, por lo que su contribución a la capacidad de calor se comporta clásicamente a temperaturas superiores a la energía de cuantificación, pero se suprime a temperaturas más bajas.

* He dicho anteriormente que la vibración de los átomos en un cristal es la principal contribución a la capacidad de calor. Pero en los metales, también hay una gran cantidad de electrones libres (a menudo tantos o más como átomos). Clásicamente, cada uno de esos electrones tiene 3 grados de libertad de traslación, por lo que usted esperaría una contribución adicional de [math] \ frac {3} {2} N k_B [/ math] a la capacidad de calor de N electrones libres. En realidad, los electrones en un metal contribuyen a la capacidad de calor, pero mucho menos que esto. Tanto menos que a temperatura ambiente, la capacidad de calor está realmente dominada por la vibración de los átomos, y puedes ignorar los electrones. Este es otro efecto cuántico. Lo que sucede aquí es que debido a que los electrones están limitados espacialmente dentro del material, la energía de los posibles estados de los electrones se cuantifica, y como los electrones son fermiones, solo un electrón puede estar en cada estado. Lo que sucede es que hay suficientes electrones allí para que los estados cuánticos de energía más baja se llenen completamente, por lo que si aumenta la temperatura, solo los electrones con la energía más alta tendrán estados de energía más altos para ser promovidos. Así que solo una pequeña fracción de los electrones libres puede aceptar energía extra, lo que lleva a una contribución a la capacidad de calor mucho menor de lo que uno esperaría de la física clásica.

Answer 4

Diferentes materiales pueden ser diferentes de las siguientes maneras:

1. Diferentes átomos (Ej .: Fe, Al)
2. Diferentes moléculas (dispuestas de los mismos átomos de diferentes maneras) (Ej .: H2O, OH)
3. Embalaje diferente.

Entonces, básicamente cuando aplicamos calor a las sustancias, los átomos en ellos ganan energía cinética, algunos de ellos pueden tener una fuerza de atracción más débil entre sus átomos, o el empaque puede ser menos eficiente. Entonces, una cantidad menor de calor será suficiente para elevar su temperatura de un gramo de la sustancia en 1 K.

Cuando se debe calentar una sustancia diferente con más atracción entre los átomos o un mejor empaque, la cantidad de energía requerida (calor) será, por supuesto, más que la anterior.

Esta diferencia en el calor requerido por diferentes materiales para superar su atracción mutua, causa diferentes capacidades de calor de diferentes sustancias.

Gracias.

Answer 5

La capacidad de calor o la capacidad térmica es una cantidad física medible igual a la proporción del calor agregado (o eliminado) de un objeto al cambio de temperatura resultante.

La unidad SI de capacidad calorífica es julios por kelvin.

y la forma dimensional es L2MT − 2Θ − 1. El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de cierta masa en 1 grado Celsius.

La capacidad de calor es una propiedad extensa de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. Al expresar el mismo fenómeno que una propiedad intensiva,
la capacidad calorífica se divide por la cantidad de sustancia, masa o
volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la
muestra. La capacidad de calor molar es la capacidad de calor por unidad de unidad (unidad SI: mol) de una sustancia pura y la capacidad de calor específica , a menudo llamada simplemente calor específico , es la capacidad de calor por unidad de masa de un material. Ocasionalmente, en contextos de ingeniería, se utiliza la capacidad de calor volumétrico.

La temperatura refleja la energía cinética aleatoria media
de partículas constituyentes de la materia (por ejemplo, átomos o moléculas) relativa
al centro de masa del sistema, mientras que el calor es la transferencia de
Energía a través de un límite del sistema en el cuerpo que no sea por trabajo o
transferencia de materia. Traducción, rotación y vibración de átomos representan.
los grados de libertad
de movimiento que contribuyen clásicamente a la capacidad calorífica de los gases,
mientras que solo se necesitan vibraciones para describir las capacidades de calor de la mayoría
sólidos

, como lo demuestra la ley de Dulong-Petit. Otras contribuciones, más exóticas, pueden provenir de magnéticos

y electronica

Grados de libertad en sólidos, pero estos raramente hacen contribuciones sustanciales.

Por razones de mecánica cuántica, a cualquier temperatura dada, algunas de
estos grados de libertad pueden no estar disponibles, o solo parcialmente
Disponible, para almacenar energía térmica. En tales casos, el calor específico.
La capacidad es una fracción del máximo. A medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, la capacidad calorífica específica de un sistema se acerca a cero, debido a la pérdida de los grados de libertad disponibles. La teoría cuántica se puede usar para predecir cuantitativamente la capacidad térmica específica de los sistemas simples.

Answer 6

Ya hay algunas respuestas geniales de ciencia física aquí, entonces ¿por qué no tener una respuesta basada en la armonía ambiental?

El suelo está compuesto en gran parte de óxido de titanio y puede emanar un monstruoso y misterioso chasquido de supuestas subdivisiones de placas y asentamientos térmicos de agua subterránea y roca metamórfica, por lo que, desde el más sensato de los narradores, tendremos abundantes hipótesis utilizando titanes de las fraguas subterráneas, la espada. tirado de la piedra debajo de la colina, el guerrero Zinja, el robo del suelo del bosque y la magia de los rellenos de la alfombra de compost.

Inyectar aceite usado y desechos de CO2 en sedimentos porosos que parecen tener el equilibrio para acomodarlos no es tan inteligente, ya que últimamente hay terremotos en Nebraska y agua de pozo en California que se pueden usar como geles para peinar. Por otro lado, el derrame de petróleo de un pozo marino en el Golfo fue suficiente para engrasar todas las playas del Sistema Solar, pero no ha hecho más que adelgazar al mundo en glóbulos globosos locales de goo crudo. Por supuesto, fue a alguna parte, pero esa naturaleza tiene intervenciones poderosas y vulnerabilidades delicadas que pueden estudiarse en las convenciones de capacidades materiales específicas del contenido de calor, tanto reales como potenciales.

Si manejo acero a 100 F y berrillium a 100 F, uno quemará mi carne mientras que el otro quiero agarrarme para calentar mis manos. Uno en el suelo natural ayudará orgánicamente a descomponerse y subsumir, mientras que el otro proporciona refugio para que el jerbo no se congele. Podría ser un sabio jerárquico para agradecer a la cadena de paso de la energía que parece formarse siempre al apagar incendios o mantenerlos encendidos.

Junto a Burning Man está Burning Gerbil o simplemente no puede haber una razón para festejar … pero, hey !, no es así.

Answer 7

El calor específico es importante porque, (ex-agua) no debe haber ningún cambio en la temperatura. ¿Qué cantidad de calor se agrega? Es beneficioso para la vida acuática porque la cantidad de calor agregado, el cambio de temperatura no se registra.

Es diferente debido a los diferentes enlaces entre las moléculas.

Answer 8

Respuesta corta: los electrones son más móviles en metales que otros materiales.

Respuestas largas:

Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Una introducción a la ingeniería de materiales y ciencia para ingenieros químicos y de materiales

Propiedades físicas de materiales para ingenieros

Página en virginia.edu

Calor específico de metales no debido a electrones de valencia hipotetizados.

Answer 9

El calor específico es la cantidad de calor por unidad de masa requerida para elevar la temperatura en un grado centígrado.

Suponiendo que estamos hablando de materiales sólidos, la cantidad necesaria para calcular el calor específico es solo la densidad de los estados de los fonones. La densidad del fonón de los estados está relacionada con la dinámica hessiana (matriz de fuerza constante), y depende sensiblemente de la estructura electrónica del compuesto. Los fonones y, en consecuencia, el calor específico, pueden modificarse por defectos de sustitución en el material, vacantes y otros desórdenes (límites de grano, etc.).

Answer 10

La Capacidad de Calor Específica es la cantidad de energía requerida para calentar 1 kg de una sustancia por 1 grado Celsius.

Como diferentes sustancias tienen diferentes estructuras moleculares, diferentes fuerzas entre los átomos y diferentes densidades, se necesitará más energía para calentarlos.

La capacidad de calor específica de diferentes sustancias varía por la misma razón que diferentes sustancias tienen diferentes puntos de fusión y de ebullición entre sí. Si los enlaces entre los átomos son más fuertes, requerirá más energía para calentar la sustancia.

Answer 11

La capacidad calorífica específica de una sustancia se puede definir como la cantidad de calor (una forma de energía) que se requiere para elevar la temperatura de 1 kg (1000 g) de sustancia en un Kelvin (o 1 grado Celsius). En otras palabras, es la capacidad del material para absorber energía sin mostrar un aumento en la temperatura.

Como puede ver, la capacidad específica de calor es una propiedad de la sustancia, por lo que cuando se aplica calor, puede ser absorbida por los átomos que comienzan a vibrar más que su frecuencia natural, o pueden ser absorbidos por electrones que luego pueden romper un enlace. por lo tanto, el tipo de átomos y el tipo de enlaces presentes decidirán la capacidad de calor específica.

Y esta propiedad es muy útil en muchos lugares. Como en los sistemas de refrigeración. Cuando se elige un refrigerante en función de qué tan alta es su capacidad de calor específica es ………

Esta es también la razón por la que las diferentes subestancias cuando se calientan durante el mismo tiempo no tienen la misma cantidad de aumento de temperatura. Por ejemplo, el aluminio se usa para fabricar disipadores de calor por la misma razón.

Answer 12

El calor específico depende de la cantidad de formas en que los componentes del material pueden moverse, es decir, absorber energía. Esta definición se aplica a cualquier material, independientemente de cómo defina sus componentes: electrones y protones, átomos, moléculas, partículas, trozos o más.

Answer 13

Por qué no? La capacidad de una unidad de masa de material para absorber / manejar calor dependerá de su estructura atómica, la disposición de los átomos / moléculas en una red (o no), la densidad …

Answer 14

esta es la misma pregunta ¿Por qué diferentes materiales tienen diferentes capacidades de calor específicas?

Donde encontraras una cuenta muy detallada e interesante.

Answer 15

Por favor visite este enlace

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html