
A capacidade térmica (também conhecida como capacidade térmica) é uma propriedade que indica a quantidade total de calor que uma substância ou sistema pode absorver ou liberar quando sua temperatura muda. Representa a capacidade de um objeto ou sistema de armazenar energia térmica.
Esta é uma termodinâmica extensa, o que significa que seu valor depende da quantidade de matéria. Além disso, seu valor depende de outras propriedades como a massa do objeto ou sistema, sua composição química, sua estrutura e sua capacidade de armazenar energia térmica.
Definição, o que é capacidade térmica?
A definição de capacidade térmica pode ser definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um objeto ou sistema em uma unidade de temperatura (geralmente graus Celsius ou Kelvin).
É expresso em unidades de energia por grau Celsius ou Kelvin, ou seja, como joules por grau Celsius (J/°C) ou joules por Kelvin (J/K).
Exemplos de capacidades térmicas
Aqui está uma tabela que mostra exemplos de capacidade térmica de diferentes materiais e substâncias a pressão constante.
Substância |
Capacidade térmica (J/g°C) |
Descrição |
Água |
4.18 |
A água tem alta capacidade térmica e é essencial para a regulação térmica da Terra. |
Alumínio |
0,90 |
O alumínio é um metal leve comumente usado em aplicações industriais. |
Ferro |
0,45 |
O ferro é um metal frequentemente utilizado na fabricação de estruturas e máquinas. |
Ar |
1,00 |
O ar seco é uma mistura de diferentes gases presentes na atmosfera. |
Liderar |
0,13 |
O chumbo é um metal pesado usado em diversas aplicações industriais e baterias. |
Etanol |
2,44 |
O etanol é um álcool comum e é usado como combustível e solvente. |
Tipos de capacidades térmicas
Existem vários tipos de capacidades térmicas usadas para descrever como a capacidade de um objeto ou substância de armazenar calor varia sob diferentes condições. Os tipos mais comuns de capacidades térmicas são:
- Capacidade térmica a volume constante (Cv): É a capacidade térmica de um objeto ou substância quando o volume permanece constante durante o processo de transferência de calor. Neste caso, não há trabalho realizado pelo objeto ou substância e toda a energia transferida é convertida em variações de energia interna. Cv é usado para descrever como a temperatura de um sistema muda a volume constante.
- Capacidade térmica a pressão constante (Cp): É a capacidade térmica de um objeto ou substância quando a pressão permanece constante durante o processo de transferência de calor. Nesse caso, o objeto ou substância pode realizar trabalhos, como expandir ou comprimir o sistema, além de absorver ou liberar calor. Cp é usado para descrever como a temperatura de um sistema muda a pressão constante.
Fórmula de capacidade térmica
A fórmula geral para calcular a capacidade térmica (C) de um objeto ou sistema pode ser expressa da seguinte forma:
C = Q/ΔT
Onde:
-
C é a capacidade térmica.
-
Q é a quantidade de calor transferida ou absorvida pelo objeto ou sistema.
-
ΔT é a mudança de temperatura experimentada pelo objeto ou sistema.
É importante ter em mente que a capacidade calorífica pode variar dependendo se o processo é realizado a volume constante (Cv) ou a pressão constante (Cp).
Fórmula de capacidade térmica molar
Além disso, em alguns casos, é utilizada a capacidade térmica molar (Cm), que representa a capacidade térmica por mol de substância.
A fórmula geral para capacidade térmica molar é expressa da seguinte forma:
Cm = C/n
Onde:
-
Cm é a capacidade térmica molar.
-
C é a capacidade térmica.
-
n é o número de moles de substância.
Importância da capacidade térmica
A capacidade térmica é uma propriedade fundamental em muitas áreas da ciência e da engenharia. Abaixo, exploramos algumas de suas aplicações mais relevantes:
Projeto e otimização de sistemas de transferência de calor
A capacidade térmica é essencial no projeto de sistemas térmicos, como trocadores de calor, caldeiras e sistemas de ar condicionado. Nos trocadores de calor, fluidos com alta capacidade térmica são selecionados para maximizar a eficiência da transferência de calor sem causar mudanças bruscas de temperatura.
Na indústria de refrigeração, gases com propriedades térmicas específicas são utilizados para melhorar a eficiência energética dos sistemas industriais de ar condicionado e refrigeração.
Nos processos de geração de energia, como usinas solares térmicas e nucleares, os materiais utilizados em caldeiras e tubulações devem ter capacidade térmica adequada para absorver e transferir grandes quantidades de calor sem danos estruturais.
Isto também se aplica a motores de combustão interna e sistemas de refrigeração para evitar o superaquecimento de componentes críticos.
Previsão de mudanças de temperatura e equilíbrio térmico
A capacidade térmica nos permite prever como a temperatura de um objeto ou sistema irá variar quando o calor é adicionado ou removido. Por exemplo, na climatologia, esta propriedade é fundamental para compreender como os oceanos armazenam e libertam calor, regulando o clima global e suavizando as variações de temperatura entre o dia e a noite.
Na engenharia, é utilizado para modelar o comportamento térmico de estruturas e sistemas mecânicos. Por exemplo, na construção de edifícios sustentáveis, são selecionados materiais com elevada capacidade calorífica para armazenar calor durante o dia e liberá-lo à noite, melhorando a eficiência energética. Também é aplicado no projeto de baterias, onde o controle de temperatura é essencial para manter o desempenho ideal e prolongar a vida útil da bateria.
Estudo de processos de aquecimento e resfriamento
Na indústria e na pesquisa, compreender como os materiais e substâncias são aquecidos ou resfriados é essencial para otimizar os processos térmicos. Na metalurgia, a capacidade térmica dos metais influencia seus processos de tratamento térmico, como têmpera e recozimento, que melhoram suas propriedades mecânicas.
Na indústria alimentícia, os processos de pasteurização e congelamento dependem do controle preciso do aquecimento e resfriamento dos produtos. A capacidade térmica dos ingredientes determina a quantidade de energia necessária para atingir temperaturas seguras sem afetar a qualidade do produto. Da mesma forma, na produção de vidro e cerâmica, o resfriamento controlado evita tensões internas que poderiam causar fraturas.
Caracterização das propriedades dos materiais
A capacidade térmica é uma propriedade chave para a caracterização térmica de materiais como metais, líquidos, gases e sólidos. Na engenharia de materiais, é utilizado para determinar quais materiais são mais adequados para aplicações que envolvem exposição a altas temperaturas ou mudanças térmicas frequentes.
Por exemplo, na indústria aeroespacial, os materiais das naves espaciais devem ter capacidade térmica adequada para suportar fricção extrema e temperaturas flutuantes durante a reentrada atmosférica. Na eletrônica, materiais com baixa capacidade térmica são escolhidos para dissipadores de calor, permitindo uma transferência eficiente de calor para longe de circuitos sensíveis.
Estudo de reações químicas
Em química, a capacidade térmica é essencial para calcular a quantidade de calor absorvido ou liberado durante uma reação. Na calorimetria, é utilizado para medir a entalpia de reações químicas, o que ajuda a entender sua viabilidade e segurança.
Por exemplo, na indústria farmacêutica, a estabilidade térmica dos compostos é crucial para garantir a eficácia dos medicamentos durante o armazenamento e transporte. Na produção de combustíveis e explosivos, a capacidade térmica dos materiais é estudada para prever como reagirão às mudanças de temperatura e evitar riscos de ignição ou explosão.