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 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 o recíproco 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 (m3/ Kg) ou (cm3/ g). No entanto, embora essa propriedade não dependa da massa, ela depende de outras variáveis, como a temperatura ou a pressão incidente sobre a substância. Isso faz com que um grama de substância ocupe mais volume em temperaturas mais altas..
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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 o produto do volume e das interações de suas moléculas.
A molécula de água tem a fórmula química HdoisOu, 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. Uma vez que as moléculas de cada substância são diferentes umas das outras, o mesmo acontecerá com o volume específico resultante.
Se a densidade da água em uma ampla faixa de temperatura for 0,997 kg / m3, seu volume específico é 1.003 m3/ kg.
O ar é uma mistura gasosa homogênea, composta principalmente de nitrogênio (78%), seguido de oxigênio (21%) e, finalmente, de outros gases da 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, é possível determinar qual volume 1 g de ar ocupa.
Uma vez que 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 frias e altas pressões.
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 ao lidar com grandes quantidades de vapor nas indústrias, especialmente no que diz respeito à mecânica dos fluidos..
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 uma "Bumerangue”, Então pode-se esperar que, pela definição de densidade (m / V), o nitrogênio seja mais denso que a água. Usando uma densidade de 1,2506 Kg / m3, o volume específico nas condições em que este valor foi medido é 0,7996 m3/ Kg; é simplesmente o recíproco (1 / ρ).
O gás ideal é aquele que obedece à equação:
P = nRT / V
Percebe-se que a equação não considera nenhuma variável como estrutura ou volume molecular; nem considera como as moléculas de gás interagem umas com as outras 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 desta 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, basta limpar a densidade e, em seguida, "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.
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