Lämpökapasiteetti

Lämpökapasiteetti kuvaa aineen kykyä vastaanottaa tai luovuttaa lämpöenergiaa muuttaen sen lämpötilaa. Määritelmä voidaan kirjoittaa Q = C ΔT, jolloin C on lämpökapasiteetti ja ΔT lämpötilan muutos. Lämpökapasiteetti on laaja ominaisuus (extensive), joka kasvaa aineen määrän mukaan. Kun jaetaan energiakulutus pitoisuudella massaa kohti, saadaan spesifinen lämpökapasiteetti c = C/m (J/(kg K)). Moolinen lämpökapasiteetti Cm = C/n kuvaa energian tarvetta per mooli (J/(mol K)).

Usein puhutaan kahdesta erityyppisestä lämpökapasiteetista Cp ja Cv. Cp on lämpökapasiteetti, joka määritellään pitämällä paine vakiona; Cv puolestaan määritellään pitämällä tilavuus vakiona. Kaasun kohdalla Cp ja Cv eroavat ja ideaalikaasussa Cp − Cv = R, missä R on universaali kaasuvakio. Kiinteille aineille Cp ja Cv voivat olla lähellä toisiaan, mutta ero voi näkyä erityisesti lämpötilan ja faasimuutosten alueilla.

Lämpökapasiteetti riippuu lämpötilasta ja faasista. Silloin kun aine lämpiää faasimuutoksen yhteydessä, energian tarve vastaa faasien muutosta, ja näytteelle voi esiintyä suurentunutta tai epätyypillistä havaittavaa lämpökapasiteettia. Käytännössä Cp, Cv ja Cm vaihtelevat sekä materiaalin että lämpötilan mukaan, ja niitä voidaan mitata kalorimetriamenetelmin, kuten kalori- tai differentiaalinen lämpödiffrassio -tutkimuksilla.

Esimerkkejä: veden spesifinen lämpökapasiteetti on noin 4,18 kJ/(kg K) (Cp lähellä tätä arvoa nesteessä), mikä tekee vedestä erinomaisen lämpökapasiteetin lämpövaraajan. Ilman spesifinen lämpökapasiteetti on noin 1,0 kJ/(kg K). Molaariset arvot for vesi (neste) Cp,m ovat noin 75 J/(mol K) ja Cv,m hieman alle sen; ilman Cp,m on noin 29 J/(mol K). Lämpökapasiteetin maatila on keskeinen tekijä termisissä suunnittelussa, ilmastotieteessä ja energian varastoinnissa.