Volumen específico

En termodinámica , el volumen específico de una sustancia (símbolo: $ν$ , nu ) es el cociente del volumen de la sustancia ( $V$ ) por su masa ( $m$ ):

\nu ={\frac {V}{m}}

Es una propiedad intrínseca de la sustancia , específica de la masa . Es el recíproco de la densidad $ρ$ ( rho ) y también está relacionada con el volumen molar y la masa molar :

\nu =\rho ^{-1}={\frac {\tilde {V}}{M}}

La unidad estándar de volumen específico es metros cúbicos por kilogramo (m3 ^/ kg), pero otras unidades incluyen ft3 ^/ lb, ft3 ^/ slug o mL/g. ^[1]

El volumen específico de un gas ideal está relacionado con la constante molar del gas ( $R ) y la$ temperatura ( $T$ ), la presión ( $P$ ) y la masa molar ( $M$ ) del gas :

\nu ={\frac {RT}{PM}}

Se basa en la ley de los gases ideales , y en la cantidad de sustancia , $Estilo de visualización PV={nRT}}$ ${\textstyle n=m/M}$

Aplicaciones

El volumen específico se aplica comúnmente a:

Imaginemos una cámara hermética de volumen variable que contiene una determinada cantidad de átomos de gas oxígeno. Consideremos los siguientes cuatro ejemplos:

Si la cámara se hace más pequeña sin permitir la entrada o salida de gas, la densidad aumenta y el volumen específico disminuye.
Si la cámara se expande sin dejar entrar ni salir gas, la densidad disminuye y el volumen específico aumenta.
Si el tamaño de la cámara permanece constante y se inyectan nuevos átomos de gas, la densidad aumenta y el volumen específico disminuye.
Si el tamaño de la cámara permanece constante y se eliminan algunos átomos, la densidad disminuye y el volumen específico aumenta.

El volumen específico es una propiedad de los materiales, definida como la cantidad de metros cúbicos que ocupa un kilogramo de una sustancia determinada. La unidad estándar es el metro cúbico por kilogramo (m ³ /kg o m ³ ·kg ⁻¹ ).

A veces, el volumen específico se expresa en términos de la cantidad de centímetros cúbicos que ocupa un gramo de una sustancia. En este caso, la unidad es el centímetro cúbico por gramo (cm ³ /g o cm ³ ·g ⁻¹ ). Para convertir m ³ /kg a cm ³ /g, se multiplica por 1000; a la inversa, se multiplica por 0,001.

El volumen específico es inversamente proporcional a la densidad. Si la densidad de una sustancia se duplica, su volumen específico, expresado en las mismas unidades básicas, se reduce a la mitad. Si la densidad disminuye a 1/10 de su valor anterior, el volumen específico, expresado en las mismas unidades básicas, aumenta en un factor de 10.

La densidad de los gases cambia incluso con ligeras variaciones de temperatura, mientras que las densidades de los líquidos y los sólidos, que generalmente se consideran incompresibles, cambian muy poco. El volumen específico es el inverso de la densidad de una sustancia; por lo tanto, se debe tener mucho cuidado al tratar situaciones que involucran gases. Pequeños cambios de temperatura tendrán un efecto notable en los volúmenes específicos.

La densidad media de la sangre humana es de 1060 kg/m3 ^. El volumen específico que se correlaciona con esa densidad es de 0,00094 m3 ^/ kg. Observe que el volumen específico medio de la sangre es casi idéntico al del agua: 0,00100 m3 ^/ kg. ^[2]

Ejemplos de aplicación

Si uno se propone determinar el volumen específico de un gas ideal, como vapor sobrecalentado, utilizando la ecuación ν = RT / P , donde la presión es 2500 lbf/in ² , R es 0,596, la temperatura es1960 °R . En ese caso, el volumen específico sería igual a 0,4672 in ³ /lb. Sin embargo, si se cambia la temperatura aA 1160 °R , el volumen específico del vapor sobrecalentado habría cambiado a 0,2765 in ³ /lb, lo que representa un cambio general del 59%.

Conocer los volúmenes específicos de dos o más sustancias permite encontrar información útil para ciertas aplicaciones. Para una sustancia X con un volumen específico de 0,657 cm ³ /g y una sustancia Y con un volumen específico de 0,374 cm ³ /g, la densidad de cada sustancia se puede encontrar tomando la inversa del volumen específico; por lo tanto, la sustancia X tiene una densidad de 1,522 g/cm ³ y la sustancia Y tiene una densidad de 2,673 g/cm ³ . Con esta información, se pueden encontrar las gravedades específicas de cada sustancia en relación con las demás. La gravedad específica de la sustancia X con respecto a Y es 0,569, mientras que la gravedad específica de Y con respecto a X es 1,756. Por lo tanto, la sustancia X no se hundirá si se coloca sobre Y. ^[3]

Volumen específico de soluciones

El volumen específico de una solución no ideal es la suma de los volúmenes específicos parciales de los componentes:

\nu ={\frac {1}{\rho }}={\frac {\tilde {V}}{M}}=\sum _{i}w_{i}\cdot {\bar {\nu _{i}}}

M es la masa molar de la mezcla. Se puede utilizar en lugar del volumen, ya que se trata de una propiedad intensiva ligada al sistema.

Tabla de volúmenes específicos comunes

La siguiente tabla muestra las densidades y volúmenes específicos de varias sustancias comunes que pueden resultar útiles. Los valores se registraron a temperatura y presión estándar, que se definen como aire a 0 °C (273,15 K, 32 °F) y 1 atm (101,325 kN/m ² , 101,325 kPa, 14,7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 torr). ^[4]

* valores no tomados a temperatura y presión estándar

Referencias

^ Moran, Michael (7 de diciembre de 2010). Fundamentos de termodinámica en ingeniería . Wiley. ISBN 978-0-470-49590-2.
^ Silverthorn, Dee (2010). Fisiología humana . Pearson. ISBN 978-0-321-55980-7.
^ Walker, Jearl (6 de abril de 2007). Fundamentos de física . Halliday. ISBN 978-0-470-04472-8.
^ "Caja de herramientas de ingeniería" . Consultado el 14 de abril de 2013 .