Capacitatea de căldură a gazelor - ce este? Căldură specifică de gaz

Capacitatea de căldură a unui gaz este cantitatea de energie care absoarbe un corp atunci când este încălzită cu un grad. Să analizăm principalele caracteristici ale unei anumite cantități fizice.

defini

Capacitatea specifică de căldură a unui gaz este masa unității unei substanțe particulare. Unitățile sale de măsură sunt J / (kgmiddot-K). Cantitatea de căldură absorbită de organism în procesul de schimbare a stării sale agregate nu are legătură numai cu starea inițială și finală, ci și cu metoda de tranziție.

subdiviziune

Căldura specifică a gazelor este împărțită la o cantitate determinată pentru un volum nemodificat (C_v), presiune constantă (C_r).

În cazul încălzirii fără a schimba presiunea, se consumă o anumită căldură pentru producerea lucrărilor de extindere a gazelor, iar o parte din energie este cheltuită pentru a crește energia internă.

Capacitatea de căldură a gazelor la presiune constantă este determinată de cantitatea de căldură consumată pentru creșterea energiei interne.

Starea gazoasă: caracteristici, descriere

Căldura specifică a unui gaz ideal este determinată ținând seama de faptul că C_p-C_v= R. Această din urmă cantitate se numește constantă de gaz universal. Valoarea acestuia corespunde la 8.314 J / (Molmiddot-K).

Atunci când se efectuează calcule teoretice ale capacității termice, de exemplu, descriind relația cu temperatura, nu este suficient să se utilizeze numai metode termodinamice, este important să se înarmeze elementele fizicii statice.

Capacitatea de căldură a gazelor implică calcularea valorii medii a energiei de mișcare translatoare a unor molecule. O astfel de mișcare este însumată din mișcarea de rotație și translație a moleculei, precum și din vibrațiile interne ale atomilor.

În fizica statică există informații că, pentru fiecare grad de libertate a mișcării de rotație și de translație, există o valoare pentru gaz care este egală cu jumătate din constanta gazului universal.

Fapte interesante

Se presupune că particulele unui gaz monatomic au trei grade de libertate de translație, astfel încât căldura specifică a gazului are trei grade de translație, două grade rotaționale și unul vibrațional de libertate. Legea distribuției lor uniforme conduce la echivalarea căldurii specifice cu un volum nemodificat la R.

In timpul experimentelor sa constatat că căldura specifică a unui gaz diatomic corespunde R. Valoarea diferența dintre teorie și practică se explică prin faptul că capacitatea calorică a unui gaz ideal este legată de efectele cuantice, astfel încât în ​​calcule este important să se folosească statisticile bazate pe mecanica cuantică.

Pornind de la fundamentele mecanicii cuantice, orice sistem de particule care vibrează sau se rotesc, inclusiv moleculele de gaz, are doar anumite valori ale energiei discrete.

Dacă energia mișcării termice este insuficientă în sistem pentru a excita oscilațiile unei anumite frecvențe, astfel de mișcări nu contribuie la capacitatea totală de căldură a sistemului.

Ca urmare, gradul specific de libertate devine "înghețat", este imposibil să se aplice legea privind echivalența.

Capacitatea de căldură a gazelor este o caracteristică importantă a stării pe care depinde funcționarea întregului sistem termodinamic.

Temperatura la care legea echivalenței poate fi aplicată la gradul de libertate vibrațional sau rotativ se caracterizează prin teoria cuantică, relaționează constanta Planck cu constanta Boltzmann.

Gazele diatomice

Intervalele dintre nivelele de rotație ale acestor gaze reprezintă un număr nesemnificativ de grade. Singura excepție este hidrogenul, în care temperatura este determinată de sute de grade.

Acesta este motivul pentru care capacitatea de căldură a unui gaz la presiune constantă este dificil de descris de legea distribuției uniforme. În statisticile cuantice, pentru determinarea căldurii specifice, se ia în considerare faptul că partea sa vibrațională scade rapid în cazul scăderii temperaturii, ajungând la zero.

Un fenomen similar explică faptul că la temperaturile camerei practic nu există o parte vibrațională a capacității de căldură, pentru un gaz diatomic aceasta corespunde unei constante R.

Căldura specifică a unui gaz la un volum constant în cazul indiciilor de temperatură joasă este determinată prin intermediul statisticilor cuantice. Există principiul Nernst, care se numește a treia lege a termodinamicii. Pe baza formulării sale, capacitatea molară de căldură a gazului va scădea odată cu scăderea temperaturii, tinzând la zero.

Caracteristicile substanțelor solide

Dacă capacitatea de căldură a unui amestec de gaze poate fi explicată prin statistici cuantice, atunci pentru o stare agregată solidă, mișcarea termică se caracterizează prin oscilații nesemnificative ale particulelor în apropierea poziției de echilibru.

Fiecare atom are trei grade de libertate vibraționale, prin urmare, în conformitate cu legea privind echidistribuția, capacitatea de căldură molară a unui solid poate fi calculată ca 3nR, unde n este numărul atomilor din moleculă.

În practică, un astfel de număr este limita la care căldura specifică a unui solid tinde la valori ridicate ale temperaturii.

Maximul poate fi obținut la temperaturi obișnuite pentru anumite elemente, inclusiv metale. Pentru n = 1 legea Dulong și Petit, dar pentru a realiza o astfel de limită este destul de dificil pentru substanțele complexe. Deoarece în realitate este imposibil să se obțină o limită, are loc descompunerea sau topirea unui solid.

Istoria teoriei cuantice

Fondatorii teoriei cuantice sunt Einstein și Debye la începutul secolului al XX-lea. Se bazează pe cuantizarea mișcărilor vibraționale ale atomilor într-un anumit cristal. În cazul indicilor de temperatură scăzută, capacitatea de căldură a unui solid pare a fi direct proporțională cu valoarea absolută luată în cub. Această dependență a fost numită legea lui Debye. Ca un criteriu care face posibilă distingerea între indicii de temperatură joasă și temperatură ridicată, este luată pentru a le compara cu temperatura Debye.

O astfel de valoare este determinată vibrații atom spectru în organism, puternic dependente totuși de caracteristicile structurii cristalului.

QD este o cantitate care are câteva sute K, dar, de exemplu, este mult mai mare pentru un diamant.

Electronii de conducere au o contribuție semnificativă la capacitatea de căldură a metalelor. Pentru a calcula aceasta, sunt utilizate statisticile cuantice ale lui Fermi. Conductivitatea electronică pentru atomii de metal este direct proporțională cu temperatura absolută. Deoarece este o cantitate nesemnificativă, ea este luată în considerare numai la temperaturi care au tendința de a zero zero.

Metode de determinare a capacității termice

Principala metodă experimentală este calorimetria. Pentru a efectua un calcul teoretic al capacității termice, este utilizată termodinamica statistică. Este permis un gaz ideal, precum și pentru corpurile cristaline, pe baza datelor experimentale privind structura materiei.

Metodele empirice pentru calculul căldurii specifice unui gaz ideal se bazează pe conceptul structurii chimice, pe contribuția grupurilor individuale de atomi la C_r.

Lichidele folosesc de asemenea metode care se bazează pe utilizarea ciclurilor termodinamice care permit trecerea de la căldura specifică a unui gaz ideal la un lichid prin derivatul entalpiei procesului de evaporare.

În cazul unei soluții, calcularea căldurii specifice ca funcție aditivă nu este permisă, deoarece capacitatea excesivă de căldură a soluției este în esență esențială.

Pentru a le evalua, avem nevoie de o teorie statistică moleculară a soluțiilor. Cea mai dificilă este de a descoperi capacitatea de căldură a sistemelor eterogene în analiza termodinamică.

concluzie

Studiul capacității termice face posibilă efectuarea de calcule balanța energetică procesele care se produc în reactoarele chimice, precum și în alte dispozitive de producție chimică. În plus, această valoare este necesară pentru alegerea tipurilor optime de lichid de răcire.

În prezent, determinarea experimentală a capacității de căldură a substanțelor pentru diferite intervale de temperatură se realizează - de la valori scăzute la valori ridicate - varianta de bază a determinării caracteristicilor termodinamice ale unei substanțe. Atunci când se calculează entropia și entalpia unei substanțe, se folosesc integrali de capacitate termică. Informațiile privind capacitatea de căldură a reactivilor chimici într-un anumit interval de temperatură ne permit să calculam efectul termic al procesului. Informațiile privind capacitatea termică a soluțiilor le permit să le calculeze termodinamice la orice valoare a temperaturii în intervalul analizat.

De exemplu, pentru un lichid, consumul unei porțiuni de căldură este caracterizat printr-o schimbare în magnitudinea energiei potențiale a moleculelor care reacționează. Această cantitate se numește capacitatea de încălzire "de configurare", utilizată pentru a descrie soluțiile.

Este dificil să se efectueze calcule matematice complete fără a se ține seama de caracteristicile termodinamice ale substanței, de starea sa agregată. De aceea, o caracteristică este utilizată pentru lichide, gaze, solide, cum ar fi căldura specifică, ceea ce face posibilă caracterizarea parametrilor energetici ai unei substanțe.