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A capacidade térmica específica (cp)
A capacidade térmica específica (cp) frequentemente designada por calor específico, é uma propriedade termofísica fundamental de um material. Diz algo sobre a capacidade de armazenar energia térmica. Indica a quantidade de calor que deve ser adicionada a um grama de massa de uma substância para aumentar a sua temperatura em um Kelvin. Não deve ocorrer nenhuma transformação de fase de primeira ordem (por exemplo, fusão), uma vez que o cp pode ser infinitamente grande neste caso e, por conseguinte, não pode ser medido durante a mesma.
A unidade SI da capacidade térmica específica é o Joule por grama vezes Kelvin [J/g*K)].
Em geral, a capacidade térmica específica pode ser dividida numa capacidade térmica isobárica (cp; a pressão constante ) e numa capacidade térmica isocórica (cV, a volume constante ) com base na entrada de calor. Enquanto a volume constante a quantidade de calor é completamente utilizada para aumentar a temperatura, a pressão constante parte do calor é necessária para a mudança de volume. Este facto deve ser tido em conta na medição de gases e vapores.
Com um valor grande de Cp, uma certa quantidade de calor leva apenas a um pequeno aumento de temperatura, enquanto que se o valor for pequeno, a mesma quantidade de calor pode causar um aumento maior de temperatura. A capacidade térmica específica para sólidos e líquidos situa-se entre 0,1 e 5 J/g*K.
| Substanz | Aluminium | Glas | Schokolade | Zement | Wasser (20 °C) | PET (kristallin, 20°C) |
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
Tabela 1: valores cp de alguns materiais (Chemie.de/kern.de)
Sendo uma propriedade importante do material, o cp é indicado nas especificações e nas fichas de dados; é utilizado para calcular valores termodinâmicos como entalpia e entropia. Ajuda também na avaliação de materiais e das suas aplicações em todos os sectores industriais.
Determinação da capacidade térmica específica por DSC
Como quantidade termodinâmica, o cp podeser determinado por meio de calorimetria de varrimento diferencial (Calorimetria Exploratória Diferencial: DSC). Para tal, a amostra e a referência são submetidas a um programa dinâmico de temperatura no forno DSC. A diferença de temperatura que se forma entre a amostra e a diferença é atribuída a um fluxo de calor após uma calibração adequada. Estão disponíveis diferentes métodos de medição.
Com o método direto, o cp é calculadodiretamente a partir do fluxo de calor dividido pela taxa de aquecimento e pela massa da amostra. O método é rápido, mas não muito exato. Por este motivo, foi estabelecido o método da safira, mais exato, que também está em conformidade com as normas DIN 51007 e ASTM E 1269.
Método da safira
O método da safira é um método comparativo. São efectuadas três medições em condições idênticas.
- A primeira é efectuada com dois cadinhos vazios para determinar a curva do branco.
- Na segunda etapa, mede-se como referência um disco plano de safira (óxido de α-alumínio) com uma massa conhecida e uma capacidade térmica específica conhecida (o segundo cadinho permanece vazio).
- Para a terceira medição, substitui-se o disco de safira pela amostra com cp desconhecido e inicia-se a execução do programa.
- A curva da capacidade térmica específica da amostra pode então ser determinada em função da temperatura utilizando as três curvas de medição de acordo com a seguinte equação
São eles:
- cp,p: capacidade térmica específica da amostra
- cp,sap: capacidade térmica específica da referência de safira
- θp: Fluxo de calor da amostra
- θ0: Fluxo de calor da curva fictícia
- θsap: Fluxo de calor da referência de safira
- msap: Massa da referência de safira
- mp: massa da amostra
Considerações sobre erros na medição de Cp
Ao calcular o Cp, certifica-te de que são utilizados os mesmos cadinhos para as três medições. Se tal não for possível, as massas e o cp dos cadinhos devem ser conhecidos. Estas incertezas devem ser tidas em conta na análise do erro.
É também de notar que a sensibilidade da medição diminui com o aumento da temperatura. O fluxo de calor medido (sinal DSC) da amostra também está sujeito a erros. Este é causado pela resistência térmica entre o sensor e a amostra e é sempre menor do que o fluxo de calor real. Este erro é ampliado por um perfil de temperatura pronunciado no material durante o aquecimento. Taxas de aquecimento excessivamente elevadas, grandes massas e capacidades de aquecimento, bem como um mau contacto térmico entre a amostra, o cadinho e o sensor têm um efeito particularmente negativo.
Deve também ter-se o cuidado de assegurar que a condutividade térmica e a capacidade térmica específica da referência se situam dentro da gama da amostra, para que possam resultar os mesmos fluxos de calor.
Medições DSC com modulação de temperatura
Se os efeitos de inversão e não inversão ocorrerem simultaneamente durante uma medição DSC convencional, ocorre uma sobreposição no sinal DSC, de modo que não é possível uma avaliação clara. O DSC com modulação de temperatura oferece uma solução, permitindo que os efeitos sobrepostos sejam separados uns dos outros.
A taxa de aquecimento é sobreposta por uma modulação de temperatura sinusoidal. O resultado é um controlo de temperatura em duas partes: uma parte linear ou constante que interfere com uma parte não linear com mudanças de temperatura relativamente rápidas. O processo está em conformidade com a norma ASTM E2716 09.
A vantagem desta medição com modulação de temperatura é que podem ser alcançadas exactidões até 1 % a altas temperaturas. Para determinar a capacidade térmica específica, é necessário um processo demorado. Vale a pena se a cp tiver de ser medida durante processos cinéticos como reacções químicas, cristalização ou evaporação. Também é necessário um software de avaliação especial.
Influência do material do cadinho
Para medições DSC, é importante assegurar que o cadinho e a amostra são compatíveis. A tampa do cadinho também tem influência nas medições.
