Визначення
Питома теплоємність газу являє собою величини одиниці маси конкретної речовини. Її одиницями виміру є Дж/(кг·К). Кількість теплоти, яка поглинається тілом в процесі зміни її агрегатного стану, пов'язано не тільки з початковим і кінцевим станом, але й зі способом переходу.
Підрозділ
Теплоємність газів ділять на величину, яка визначається при незмінному обсязі (C v ), постійному тиску (З р ). У разі нагрівання без зміни тиску деяка кількість тепла витрачається на виробництво роботи розширення газу, а частина енергії витрачається для збільшення внутрішньої енергії. Теплоємність газів при постійному тиску визначається кількістю теплоти, яка витрачається на підвищення внутрішньої енергії.
Газоподібний стан: особливості, опис
Теплоємність ідеального газу визначається з урахуванням того, що З p -З v =R. Останню величину називають універсальною газовою сталою. Її величина відповідає 8314 Дж/(моль·К).При проведенні теоретичних обчислень теплоємності, наприклад опису зв'язку з температурою, недостатньо користуватися тільки термодинамічними методами, важливо озброїтися елементами статичної фізики. Теплоємність газів передбачає обчислення середнього значення енергії поступального руху деяких молекул. Такий рух підсумовується з обертального і поступального руху молекули, а також із внутрішніх коливань атомів. В статичній фізиці є інформація про те, що на кожну ступінь свободи обертального і поступального руху припадає для газу величина, яка дорівнює половині універсальної газової сталої.
Цікаві факти
У частинки одноатомного газу передбачається три поступальних ступеня свободи, тому питома теплоємність газу має три поступальні, два обертальні, одну коливальну ступеня свободи. Закон їх рівномірного розподілу призводить до прирівнювання питомої теплоємності при незмінному обсязі до R. У ході експериментів було встановлено, що теплоємність двоатомних газу відповідає величині R. Подібне невідповідність теорії з практикою пояснюється тим, що теплоємність ідеального газу пов'язана з квантовими ефектами, тому при проведенні розрахунків важливо використовувати статистику, яка базується на квантовій механіці. Виходячи з основ квантової механіки, будь-яка система частинок, які здійснюють коливання або обертання, включаючи молекули газу, володіє лише деякими дискретними значеннями енергії. Якщо енергії теплового руху в системі недостатньо для збудження коливань певної частоти, подібні рухи не вносять свого внеску в сумарну теплоємність системи. У підсумку конкретна міра свободи стає «замороженою», до неї неможливо застосувати закон равнораспределения. Теплоємність газів – важлива характеристика стану, від якої залежить функціонування всієї термодинамічної системи. Температура, при досягнення якої закон равнораспределения можна буде застосувати до коливальної або обертальної ступеня свободи, характеризується квантової теорією, пов'язує постійну Планка зі сталою Больцмана.
Двохатомні гази
Проміжки між обертальними енергетичними рівнями таких газів складають 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 теплоємності враховують, що її коливальна частину в разі пониження температури швидко знижується, досягає нульового значення. Подібне явище пояснює той факт, що при кімнатних температурах практично немає коливальної частини теплоємності, для двоатомних газу вона відповідає постійній R. Теплоємність газу при постійному обсязі у разі низьких температурних показників визначається з допомогою квантової статистики. Існує принцип Нернста, який називають третім початком термодинаміки. Виходячи з його формулювання, молярна теплоємність газу буде спадати при зниженні температури, прагнути до нульового показника.
Особливості твердих тіл
Якщо теплоємність суміші газів можна пояснити з 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 згідно з законом равнораспределения молярную теплоємність твердого тіла можна розрахувати як 3nR, причому n – кількість атомів в молекулі. На практиці таке число є тією межею, до якого 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 твердого речовини.Історія квантової теорії
Засновниками квантової теорії вважаються Ейнштейн і Дебай на початку двадцятого століття. Вона базується на квантуванні коливальних рухів атомів в певному кристалі. У разі невисоких температурних показників теплоємність 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 дебаєвської температурою. Визначається така величина спектром коливань атома в тілі, тому серйозно залежить від особливостей його кристалічної структури. QD – це величина, яка має кілька сотень, але, приміром, у алмазу вона істотно вище. У величину теплоємності металів значний внесок вносять 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, прагнуть до абсолютного нуля.Способи визначення теплоємності
В якості основного експериментального методу виступає калориметрія. Для проведення теоретичного розрахунку теплоємності використовується статистична термодинаміка. Він припустимо 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 хімічному будову, внесок окремих груп атомів у З р . Для рідин також застосовують методи, які грунтуються на застосуванні термодинамічних циклів, які дозволяють переходити від теплоємності ідеального газу до рідини через похідну температури ентальпії процесу випаровування. У разі розчину розрахунок теплоємності як адитивної функції не допускається, так як надлишкова величина теплоємності розчину в основному істотна. Щоб провести її оцінку, буде потрібно молекулярно-статистичну теорію розчинів. Найскладнішим вважається виявлення теплоємності гетерогенних систем у термодинамічному аналізі.