Volumen Específico: Fórmula y ejemplos

¿Qué es el volumen específico?

La definición de volumen específico describe una propiedad física que se relaciona con el volumen de materia dividido por la cantidad de materia. El volumen específico se conoce alternativamente como el recíproco de la densidad; la densidad es igual a la cantidad de materia dividida por el espacio tridimensional que ocupa. La figura 1 muestra la diferencia fundamental entre el volumen específico y la densidad. El volumen específico molar relaciona el espacio tridimensional que ocupa una sustancia con un número conocido de moles. Esta lección se enfoca en determinar el volumen específico de la materia en las tres fases, sólida, líquida y gaseosa.

El volumen específico de cualquier sustancia no depende de la cantidad de sustancia presente en la muestra de interés. En otras palabras, el volumen específico es una propiedad intrínseca porque su valor permanece constante independientemente de cualquier cambio en el tamaño de la muestra. Esta propiedad física también se describe como una propiedad intensiva porque es independiente de la cantidad. En la ciencia de los materiales, los términos intrínseco e intensivo se usan indistintamente, ya que ambos significan cantidad independiente.

El volumen específico de diferentes sustancias se mide en circunstancias específicas, que son:

• La presión debe ser atmosférica; P = 1 atm.
• La temperatura debe ser igual a 0 Celsius.

El volumen específico de las sustancias que se registran en las tablas se mide en estas condiciones estándar de temperatura y presión .

Fórmulas de volumen específico

La ecuación del volumen específico es básicamente el volumen dividido por la masa, como se muestra en la fórmula:

{eq}v = V/m {/eq}

Donde:

• v es el volumen específico.
• V es el volumen que ocupa la materia.
• m es la masa de la materia.

Como se mencionó anteriormente, el volumen específico es el recíproco de la densidad. Mientras que el volumen específico es volumen dividido por masa, la densidad es masa dividida por volumen; el inverso del volumen específico. La fórmula del volumen específico se puede escribir alternativamente de la siguiente manera:

{eq}v = \rho ^{-1} = 1/ \rho {/eq}

Esta fórmula también muestra que un aumento en el volumen específico de una sustancia disminuye su densidad; la densidad y el volumen específico son inversamente proporcionales. Si la densidad de X se duplica, entonces el volumen específico de X se convierte en la mitad de su valor inicial. Aumentar el volumen de una sustancia en un recipiente fijo agregando más de la sustancia hace lo siguiente:

• La densidad aumenta porque se agrega más masa. {eq}\rho = m/V {/eq}, un valor de denominador grande produce un número mayor.
• El volumen específico disminuye. {eq}v = V/m {/eq}, un valor de denominador grande produce un número más pequeño.

Las dos fórmulas mostradas anteriormente se pueden usar para determinar los volúmenes específicos de líquidos y sólidos. Es gracias a la naturaleza incompresible de los sólidos y los líquidos que existen pocas variaciones en sus densidades. La densidad de los gases, por otro lado, son sensibles a los cambios más pequeños en sus temperaturas y presiones. Es por eso que se usa una fórmula separada para determinar los volúmenes específicos de gases. La fórmula se deriva de la ley de los gases ideales , que es una ley diseñada para gases que se comportan idealmente. Y por idealmente, se entiende lo siguiente:

• Las partículas de gas individuales son tan pequeñas que se desprecia su volumen.
• Las colisiones entre partículas de gas son elásticas.
• Las fuerzas intermoleculares entre las partículas son tan débiles que se desprecian.

La ecuación del gas ideal muestra cómo se comportaría un gas cuando cambia su temperatura, volumen, presión, cantidad (en moles).

P es la presión en atm, V es el volumen regular en litros, n es el número de moles, T es la temperatura absoluta en Kelvins y R es la constante universal de los gases , que es una constante que es igual a 0,08206 {eq}\ frac{atm\:L}{mol\:K} {/eq}. La ecuación del gas ideal se puede manipular para incluir la variable de volumen específico. La ecuación muestra la fórmula utilizada para calcular el volumen específico de los gases ideales:

{eq}v = \frac{RT}{PM} {/eq}

Donde M es la masa molar del gas, cuya unidad es gramos por mol (g/mol). La temperatura es directamente proporcional al volumen específico de un gas ideal; si la temperatura se duplica desde su valor inicial, entonces el volumen de los gases también se duplica. Un aumento en el volumen del gas hace que también aumente su volumen específico. La temperatura y el volumen específico aumentan o disminuyen en la misma proporción.

Unidades de volumen específicas

Las unidades específicas de volumen son siempre unidades de volumen por unidades de masa, lo cual es sensato ya que esta propiedad se busca dividiendo el volumen por la masa. La unidad más utilizada es metro cúbico por kilogramo {eq}m^3/kg {/eq}. Las siguientes son otras unidades que también se utilizan:

• Pies cúbicos por libra {eq}ft^3/lb {/eq}.
• Centímetro cúbico por gramo {eq}cm^3/g {/eq}.
• Litro por gramo {eq}L/g {/eq}.

Las unidades de densidad son opuestas a las unidades de volumen específico; siempre son unidades de masa por unidades de volumen. Es recomendable distinguir entre las unidades de estas dos propiedades y no confundirlas.

Densidad {eq}\rightarrow \frac{kg}{m^3} {/eq}

Volumen específico {eq}\rightarrow \frac{m^3}{kg} {/eq}

¿Cómo encontrar un volumen específico?

¿Cómo encontrar el volumen específico? Los siguientes ejemplos explican cómo se pueden usar las fórmulas discutidas para encontrar los volúmenes específicos de diferentes sustancias.
Ejemplo 1

¿Cuál es el volumen específico de agua a 20 {eq}^{\circ} {/eq}C en un recipiente de 1,5 L? Dado que la masa de agua es de 1500 gramos.

{eq}v = V/m = 1,5 l/1500 g = 0,001 l/g {/eq}

El volumen específico de agua en las condiciones dadas es igual a 0,001 litros por gramo.
Ejemplo 2

¿Cuál es el volumen específico de la sustancia Y si se sabe que su densidad es igual a 670 {eq}kg/m^3 {/eq}?

El volumen específico es el recíproco de la densidad. El volumen específico de Y se puede calcular encontrando el inverso de la densidad.

{eq}v = \rho ^{-1} = 1/ \rho = 1/670 = 0,001492 m^3/kg {/eq}
Ejemplo 3

Calcula el volumen específico y la densidad de una piedra que pesa 50 kg y cuyo volumen es 0,75 {eq}m^3 {/eq}.

El volumen específico:

{eq}v = V/m = 0,75 m^3/50 kg = 0,015 m^3/kg {/eq}

La densidad:

{eq}\rho = 1/v = 1/0,015 = 66,66 kg/m^3 {/eq}
Ejemplo 4

Encuentra el volumen específico de oxígeno {eq}O_2 {/eq} a 290K y 1,5 atm. Dado que la constante de los gases ideales es 0,08206 {eq}\frac{atm\:L}{mol\:K} {/eq} y la masa molar del oxígeno es 32 g/mol.

{eq}v = \frac{RT}{PM} = \frac{0,08206 \times 290}{1,5 \times 32} = 0,4957 L/g {/eq}

Valores de volumen específicos comunes

La tabla proporcionó documentos sobre algunos de los volúmenes y densidades específicos comunes de diferentes gases en condiciones estándar. Y por condiciones estándar, se entiende 0 {eq}^{\circ} {/eq}C y 1 atm.

Sustancia	Densidad kg/m³	Volumen Específico m³/kg
Aire	1.293	0.773395205
Gas de alto horno	1.25	0.8
Dióxido de carbono	1.977	0.505816894
Helio	0.1785	5.602240896
Gas de carbón	0.58	1.724137931
Etileno	1.26	0.793650794
Ozono	2.14	0.46728972

El volumen específico es un parámetro valioso en las ciencias de la ingeniería y la termodinámica. Se utiliza principalmente cuando se trata de sustancias en fase gaseosa. Se utiliza para predecir cómo se comportaría un gas cuando se cambia uno de los siguientes parámetros:

• Temperatura.
• Presión.
• Cantidad de gasolina.
• Volumen de gas.

Resumen de la lección

El volumen específico es una propiedad independiente del tamaño que a menudo se describe como intrínseca e intensiva . Es el volumen de materia dividido mi masa. También es el recíproco de la densidad, que es una propiedad física que es igual a la masa dividida por el volumen {eq}\rho = m/V {/eq}. El volumen específico y la densidad son inversamente proporcionales; agregar aire en un recipiente de un volumen fijo aumenta la densidad del aire pero disminuye su volumen específico. Asimismo, duplicar la densidad de una sustancia reduce a la mitad su volumen específico. El volumen específico de muchas sustancias se mide a temperatura y presión estándar.condiciones Específicamente, cuando la temperatura es 0 {eq}^{\circ} {/eq}C y la presión es 1 atm. Las unidades de volumen específicas comunes son {eq}L/g {/eq}, {eq}m^3/kg {/eq} y {eq}cm^3/g {/eq}.

La ecuación de volumen específico que se usa para sólidos y líquidos es básicamente el volumen dividido por la masa {eq}v = V/m {/eq} o el recíproco de la densidad {eq}v = 1 / \rho {/eq}. La ley de los gases ideales se utiliza para calcular el volumen específico de gases en condiciones ideales. La ecuación utilizada para los gases es {eq}v = RT/PM {/eq}, donde {eq}R {/eq} es la constante universal de los gases . La ecuación muestra que triplicar la temperatura de un gas ideal hace que su volumen específico aumente en la misma magnitud.