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Capacidad calorífica específica (Cp)
La capacidad calorífica específica (Cp), a menudo denominada calor específico, es una propiedad termofísica fundamental de una sustancia.
Indica la capacidad de la sustancia para almacenar energía térmica y equivale a la cantidad de calor que debe añadirse a un gramo de la sustancia para elevar su temperatura en un Kelvin.
Este proceso no debe dar lugar a una transición de fase de 1er orden (por ejemplo, la fusión), ya que, en este caso, el Cp puede ser infinitamente grande y, por tanto, no puede medirse.
La unidad SI de la capacidad calorífica específica es kilojulios por kilogramo multiplicado por Kelvin [J/g*K)].
En general, la capacidad calorífica específica puede diferenciarse como isobárica (Cp a presión constante) e isocórica (CV, a volumen constante) en función del aporte de calor.
Mientras que a volumen constante la cantidad de calor se utiliza completamente para aumentar la temperatura, a presión constante sólo se necesita una parte del calor para el cambio de volumen.
Esto debe tenerse en cuenta al medir gases y vapores.
Con un valor de Cp grande, una determinada cantidad de calor sólo provoca un ligero aumento de la temperatura; si el valor es pequeño, la misma cantidad de calor puede provocar un aumento mayor de la temperatura.
La capacidad calorífica específica de los sólidos y los líquidos oscila entre 0,1 y 5 J/g*K.
substance | aluminum | glass | chocolate | cement | water (20 °C) | PET (crystalline, 20°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
Tabla 1: Valores Cp de algunos materiales (Chemie.de)
Como propiedad importante de los materiales, el Cp figurará en las especificaciones y hojas de datos; se utiliza para calcular cantidades termodinámicas como la entalpía y la entropía. También ayuda a evaluar los materiales y sus aplicaciones en diversas industrias.
Determinación de la capacidad calorífica específica mediante DSC
Como variable termodinámica, una forma de medir la Cp es utilizar calorimetría diferencial de barrido (DSC).
Para ello, la muestra y la referencia pasan por un programa dinámico de temperatura en el horno DSC.
La diferencia de temperatura que se desarrolla entre la muestra y la referencia se atribuye a un flujo de calor tras la calibración adecuada.
Existen diferentes métodos de medición.
Con elmétodo directo, Cp puede calcularse directamente a partir del flujo de calor dividido por la velocidad de calentamiento y la masa de la muestra.
El proceso es rápido, pero no muy preciso.
Por eso, el método de zafiro, más preciso, se ha convertido en el estándar de acuerdo con las normas normas DIN 51007 y ASTM E 1269.
Método Zafiro
Se trata de un método comparativo. Se realizan tres mediciones en condiciones idénticas.
- La primera se realiza con dos crisoles vacíos para determinar la curva en blanco.
- En el segundo paso, se mide como referencia un disco plano de zafiro (α-óxido de aluminio) con una masa y una capacidad calorífica específica conocidas; el segundo crisol permanece vacío.
- Para la tercera medición, se cambia el disco de zafiro por la muestra con un Cp desconocido y se vuelve a ejecutar el programa
- A continuación, se puede determinar la curva de capacidad calorífica específica de la muestra en función de la temperatura, utilizando las tres curvas de medición según la siguiente ecuación:
Dónde:
- Cp,p: capacidad calorífica específica de la muestra
- Cp,sap: capacidad calorífica específica de la referencia zafiro
- θp: flujo de calor de la muestra
- θ0: flujo térmico de la curva en blanco
- θsap: flujo térmico de la referencia zafiro
- msap: masa del zafiro de referencia
- mp: masa de la muestra
Consideraciones sobre los errores durante la medición de Cp
Al calcular el Cp, asegúrate de que se utilizan los mismos crisoles para las tres mediciones. Si esto no es posible, deben conocerse las masas y el Cp del crisol. Estas incertidumbres deben tenerse en cuenta al considerar los errores.
También hay que tener en cuenta que la sensibilidad de la medición disminuye al aumentar la temperatura. El flujo de calor medido (señal DSC) de la muestra también está sujeto a errores. Esto se debe a la resistencia térmica entre el sensor y la muestra, y siempre es menor que el verdadero flujo de calor. Este error se ve incrementado por un perfil de temperatura pronunciado en el material durante el calentamiento.
Las velocidades de calentamiento excesivas, las grandes masas y capacidades térmicas, así como un contacto térmico deficiente entre la muestra, el crisol y el sensor, pueden tener un efecto especialmente negativo. Además, hay que asegurarse de que la conductividad térmica y la capacidad calorífica específica de la referencia estén en la zona de la muestra para que se produzcan los mismos flujos de calor.
DSC de temperatura modulada
Si se producen efectos de inversión y no inversión al mismo tiempo durante una medición DSC convencional, se producirá una superposición en la señal DSC, lo que impedirá una evaluación clara de los resultados.
El remedio es un DSC de temperatura modulada, que puede separar entre sí los efectos superpuestos.
A la velocidad de calentamiento se superpone una modulación sinusoidal de la temperatura.
El resultado es un control de la temperatura en dos partes: una parte lineal o constante que interfiere con una parte no lineal con cambios de temperatura relativamente rápidos.
El procedimiento corresponde a la norma ASTM E2716 09.
La ventaja de esta medición modulada por temperatura es que se pueden alcanzar precisiones de hasta el 1 %, incluso a altas temperaturas.
Para determinar la capacidad calorífica específica es necesario realizar una prueba que requiere mucho tiempo.
Merece la pena si hay que medir la Cp durante procesos cinéticos como reacciones químicas, cristalización o evaporación.
Además, software de evaluación especial especial.
Influencia del material del crisol
Para las mediciones DSC, asegúrate de que el crisol y la muestra son compatibles. La tapa del crisol también influye en las mediciones.
