Тепломісткість газу - це кількість енергії, яка поглинає тіло при його нагріванні на один градус. Проаналізуємо основні характеристики даної фізичної величини.
Визначення
Питома тепломісткість газу являє собою величини одиниці маси конкретної речовини. Її одиницями вимірювання є Дж/( кг· К). Кількість теплоти, яка поглинається тілом у процесі зміни його агрегатного стану, пов'язана не тільки з початковим і кінцевим станом, але і зі способом переходу.
Підрозділ
Тепломісткість газів ділять на величину, визначену при незмінному обсязі (Cv), постійному тиску (Ср).
У разі нагрівання без зміни тиску деяка кількість тепла витрачається на виробництво роботи розширення газу, а частина енергії витрачається для збільшення внутрішньої енергії.
Тепломісткість газів при постійному тиску визначається кількістю теплоти, що витрачається на підвищення внутрішньої енергії.
Газоподібний стан: особливості, опис
Тепломісткість ідеального газу визначається з урахуванням того, що Ср-Cv = R. Останню величину називають універсальною газовою постійною. Її величина відповідає 8,314 Дж/( моль· К).
При проведенні теоретичних обчислень тепломісткості, наприклад опису зв'язку з температурою, недостатньо користуватися тільки термодинамічними методами, важливо озброїтися елементами статичної фізики.
Тепломісткість газів передбачає обчислення середнього значення енергії поступального руху деяких молекул. Такий рух підсумовується з обертального і поступального руху молекули, а також з внутрішніх коливань атомів.
У статичній фізиці є інформація про те, що на кожен ступінь свободи обертального і поступального руху припадає для газу величина, яка дорівнює половині універсальної газової постійної.
Цікаві факти
У частинки одноатомного газу передбачається три поступальних ступені свободи, тому питома тепломісткість газу має три поступальні, два обертальні, один коливальний ступінь свободи. Закон їх рівномірного розподілу призводить до прирівнювання питомої тепломісткості при незмінному обсязі до R.
Під час експериментів було встановлено, що тепломісткість двохатомного газу відповідає величині R. Подібна невідповідність теорії з практикою пояснюється тим, що теплоємність ідеального газу пов'язана з квантовими ефектами, тому при проведенні розрахунків важливо використовувати статистику, що базується на квантовій механіці.
Виходячи з основ квантової механіки, будь-яка система частинок, які здійснюють коливання або обертання, включаючи молекули газу, володіє тільки деякими дискретними значеннями енергії.
Якщо енергії теплового руху буде в системі недостатньо для збудження коливань певної частоти, подібні рухи не вносять свого внеску в сумарну теплоємність системи.
У підсумку конкретна ступінь свободи стає «замороженою», до неї неможливо застосувати закон рівнорозподілу.
Тепломісткість газів - важлива характеристика стану, від якої залежить функціонування всієї термодинамічної системи.
Температура, при досягненні якої закон рівнорозподілу можна буде застосувати до коливального або обертального ступеня свободи, характеризується квантовою теорією, пов'язує постійну Планка з константою Больцмана.
Двохатомні гази
Проміжки між обертальними енергетичними рівнями таких газів становлять незначну кількість градусів. Виняток становить водень, в якому значення температури визначається сотнями градусів.
Саме тому теплоємність газу при постійному тиску складно описати законом рівномірного розподілу. У квантовій статистиці при визначенні тепломісткості враховують, що її коливальна частина у разі зниження температури швидко знижується, досягає нульового значення.
Подібне явище пояснює той факт, що при кімнатних температурах практично немає коливальної частини теплоємності, для двохатомного газу вона відповідає постійній R.
Тепломісткість газу при постійному обсязі в разі низьких температурних показників визначається за допомогою квантової статистики. Існує принцип Нернста, який називають третім початком термодинаміки. Виходячи з його формулювання, молярна тепломісткість газу буде вбивати при зниженні температури, прагнути до нульового показника.
Особливості твердих тіл
Якщо тепломісткість суміші газів можна пояснити за допомогою квантової статистики, то для твердого агрегатного стану тепловий рух характеризується незначними коливаннями частинок поблизу положення рівноваги.
У кожного атома є три коливальні ступені свободи, тому відповідно до закону рівнорозподілу молярну теплоємність твердого тіла можна розрахувати як 3nR, причому n - кількість атомів в молекулі.
На практиці подібне число є тією межею, до якої прагне при високих температурних показниках величина теплоємності твердого тіла.
Максимум можна отримати при звичайних температурах у деяких елементів, включаючи метали. При n = 1 виконується закон Дюлонга і Пті, а ось для складних речовин досягти такої межі досить складно. Оскільки в реальності межу неможливо отримати, відбувається розкладання або плавлення твердої речовини.
Історія квантової теорії
Засновниками квантової теорії вважаються Ейнштейн і Дебай на початку двадцятого століття. Вона базується на квантуванні коливальних рухів атомів у певному кристалі. У разі невисоких температурних показників тепломісткість твердого тіла виявляється в прямо пропорційній залежності від абсолютної величини, взятої в кубі. Ця залежність була названа законом Дебая. В якості критерію, який дозволяє відрізняти низькі і високі температурні показники, береться їх порівняння з дебаївською температурою.
Визначається така величина спектром коливань атома в тілі, тому серйозно залежить від особливостей його кристалічної структури.
QD - це величина, яка має кілька сотень К, але, наприклад, у алмаза вона істотно вище.
У величину тепломісткості металів значний внесок роблять електрони провідності. Для її обчислення використовують квантову статистику Фермі. Електронна провідність для атомів металів прямо пропорційна абсолютній температурі. Оскільки вона є незначною величиною, вона враховується тільки при значеннях температури, що прагнуть до абсолютного нуля.
Способи визначення тепломісткості
В якості основного експериментального методу виступає калориметрія. Для проведення теоретичного розрахунку теплоємності використовується статистична термодинаміка. Він припустимий для ідеального газу, а також для кристалічних тіл, проводиться на основі експериментальних даних про будову речовини.
Емпіричні методики розрахунку теплоємності ідеального газу базуються на уявленні про хімічну будову, внесок окремих груп атомів у Ср.
Для рідин також застосовують методи, які ґрунтуються на застосуванні термодинамічних циклів, які дозволяють переходити від теплоємності ідеального газу до рідини через похідну температури ентальпії процесу випаровування.
У разі розчину розрахунок теплоємності в якості аддитивної функції не допускається, оскільки надлишкова величина теплоємності розчину в основному істотна.
Щоб провести її оцінку, знадобиться молекулярно-статистична теорія розчинів. Найскладнішим вважається виявлення тепломісткості гетерогенних систем у термодинамічному аналізі.
Ув'язнення
Вивчення тепломісткості дозволяє проводити розрахунки енергетичного балансу процесів, що протікають у хімічних реакторах, а також в інших апаратах хімічного виробництва. Крім того, ця величина необхідна для підбору оптимальних видів теплоносіїв.
В даний час здійснюється експериментальне визначення тепломісткості речовин для різних температурних інтервалів - від низьких значень до високих величин - основний варіант визначення термодинамічних характеристик речовини. При проведенні обчислень ентропії та ентальпії речовини застосовують інтеграли теплоємності. Інформація про тепломісткість хімічних реагентів у певному температурному інтервалі дозволяє розраховувати тепловий ефект процесу. Інформація про тепломісткість розчинів дозволяє розраховувати їх термодинамічні параметри при будь-яких температурних значеннях в рамках аналізованого проміжку.
Наприклад, для рідини характерне витрачання частини тепла на зміну величини потенційної енергії реагуючих молекул. Таку величину називають «конфігураційною» тепломісткістю, використовують для опису розчинів.
Складно вести повноцінні математичні обчислення без урахування термодинамічних характеристик речовини, її агрегатного стану. Саме тому для рідин, газів, твердих речовин використовують таку характеристику як питома теплоємність, що дозволяє характеризувати енергетичні параметри речовини.
