O volume específico é uma propriedade intensiva característica de cada elemento ou material. É definido matematicamente como a relação entre o volume ocupado por uma certa quantidade de matéria (um quilograma ou um grama); em outras palavras, é o recíproco da densidade.
A densidade indica quanto pesa 1 mL de matéria (líquido, sólido, gasoso ou uma mistura homogênea ou heterogênea), enquanto o volume específico se refere ao volume que ocupa 1 g (ou 1 kg) dele. Assim, conhecendo a densidade de uma substância, basta calcular a recíproca para determinar seu volume específico.
A que se refere a palavra "específico"? Quando alguma propriedade é dita específica, significa que ela se expressa em função da massa, o que permite sua transformação de uma propriedade extensiva (que depende da massa) em uma intensiva (contínua em todos os pontos do sistema).
As unidades em que o volume específico é normalmente expresso são (m 3 / Kg) ou (cm 3 / g). Porém, embora essa propriedade não dependa da massa, ela depende de outras variáveis, como temperatura ou pressão incidente sobre a substância. Isso faz com que um grama da substância ocupe mais volume em temperaturas mais altas.
Da água
Na primeira imagem você pode ver uma gota d'água prestes a se misturar com a superfície do líquido. Por ser naturalmente uma substância, sua massa ocupa volume como qualquer outra. Este volume macroscópico é um produto do volume e das interações de suas moléculas.
A molécula de água possui a fórmula química H 2 O, com massa molecular de aproximadamente 18g / mol. As densidades que apresenta também dependem da temperatura, e em macroescala a distribuição de suas moléculas é considerada a mais homogênea possível.
Com os valores de densidade ρ a uma temperatura T, para calcular o volume específico de água líquida é suficiente aplicar a seguinte fórmula:
v = (1 / ρ)
É calculado determinando experimentalmente a densidade da água com um picnômetro e realizando o cálculo matemático. Como as moléculas de cada substância são diferentes umas das outras, o mesmo ocorre com o volume específico resultante.
Se a densidade da água em uma ampla faixa de temperatura for 0,997 kg / m 3, seu volume específico será 1,003 m 3 / kg.
Do ar
O ar é uma mistura gasosa homogênea, composta principalmente por nitrogênio (78%), seguido por oxigênio (21%) e, finalmente, por outros gases na atmosfera terrestre. Sua densidade é uma expressão macroscópica de toda aquela mistura de moléculas, que não interagem com eficiência e se propagam em todas as direções.
Como a substância é considerada contínua, sua disseminação em um recipiente não altera sua composição. Novamente, medindo a densidade nas condições descritas de temperatura e pressão, pode-se determinar qual volume 1 g de ar ocupa.
Como o volume específico é 1 / ρ, e seu ρ é menor que o da água, então seu volume específico é maior.
A explicação para esse fato é baseada nas interações moleculares da água contra o ar; este último, mesmo no caso de umidade, não condensa a menos que seja submetido a temperaturas muito baixas e altas pressões.
Do vapor
Nas mesmas condições, um grama de vapor ocupará um volume maior do que um grama de ar? O ar é mais denso que a água na fase gasosa, pois é uma mistura dos gases mencionados acima, ao contrário das moléculas de água.
Como o volume específico é o inverso da densidade, um grama de vapor ocupa mais volume (é menos denso) do que um grama de ar.
As propriedades físicas do vapor como fluido são essenciais em muitos processos industriais: dentro de trocadores de calor, para aumentar a umidade, limpar máquinas, entre outros.
Existem muitas variáveis a serem levadas em consideração no manuseio de grandes quantidades de vapor nas indústrias, especialmente no que diz respeito à mecânica dos fluidos.
Azoto
Como o resto dos gases, sua densidade depende consideravelmente da pressão (ao contrário de sólidos e líquidos) e da temperatura. Assim, os valores para seu volume específico variam de acordo com essas variáveis. Daí a necessidade de determinar seu volume específico para expressar o sistema em termos de propriedades intensivas.
Sem valores experimentais, por meio do raciocínio molecular, é difícil comparar a densidade do nitrogênio com a de outros gases. A molécula de nitrogênio é linear (N≡N) e a da água é angular.
Como uma "linha" ocupa menos volume do que um "bumerangue", pode-se esperar que o nitrogênio seja mais denso que a água pela definição de densidade (m / V). Usando uma densidade de 1,2506 Kg / m 3, o volume específico nas condições em que este valor foi medido é 0,7996 m 3 / Kg; é simplesmente o recíproco (1 / ρ).
Do gás ideal
O gás ideal é aquele que obedece à equação:
P = nRT / V
Pode-se perceber que a equação não considera nenhuma variável como estrutura ou volume molecular; nem considera como as moléculas de gás interagem entre si em um espaço definido pelo sistema.
Em uma faixa limitada de temperaturas e pressões, todos os gases “se comportam” da mesma forma; por essa razão, é válido até certo ponto supor que eles obedecem à equação do gás ideal. Assim, a partir dessa equação, várias propriedades dos gases podem ser determinadas, incluindo o volume específico.
Para resolvê-lo, é necessário expressar a equação em termos das variáveis de densidade: massa e volume. Os moles são representados por n, e estes são o resultado da divisão da massa do gás por sua massa molecular (m / M).
Tomando a variável massa m na equação, se ela for dividida pelo volume, a densidade pode ser obtida; A partir daqui, é suficiente limpar a densidade e então "inverter" os dois lados da equação. Ao fazer isso, o volume específico é finalmente determinado.
A imagem abaixo ilustra cada uma das etapas para chegar à expressão final do volume específico de um gás ideal.
Referências
- Wikipedia. (2018). Volume específico. Retirado de: en.wikipedia.org
- Study.com. (21 de agosto de 2017). O que é volume específico? - Definição, fórmula e unidades retiradas de: study.com
- PANELA. (5 de maio de 2015). Volume específico. Retirado de: grc.nasa.gov
- Michael J. Moran e Howard N. Shapiro. (2004). Fundamentos de termodinâmica técnica. (2ª Edição). Editorial Reverté, página 13.
- Unidade 1: Conceitos de termodinâmica.. Retirado de: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). Principais aplicações do Steam. Retirado de: tlv.com