Varmekapasiteten til en gass er mengden energi som kroppen absorberer når den varmes opp med én grad. La oss analysere hovedkarakteristikkene til denne fysiske mengden.
Definitions
Den spesifikke varmen til en gass er enhetsmassen til et bestemt stoff. Måleenhetene er J/(kg·K). Mengden varme som absorberes av kroppen i ferd med å endre dens aggregeringstilstand er ikke bare assosiert med start- og slutttilstanden, men også med overgangsmetoden.
Department
Varmekapasiteten til gasser deles på verdien bestemt ved konstant volum (Cv), konstant trykk (Cр).
Ved oppvarming uten å endre trykket, brukes noe varme for å produsere arbeidet med gassekspansjon, og en del av energien brukes til å øke intern energi.
Varmekapasiteten til gasser ved konstant trykk bestemmes av mengden varme som brukes på å øke intern energi.
Gasstilstand: funksjoner, beskrivelse
Varmekapasiteten til en ideell gass bestemmes under hensyntagen til det faktum at Сp-Сv=R. Sistnevnte mengde kalles den universelle gasskonstanten. Verdien tilsvarer 8,314 J/(mol K).
Når man utfører teoretiske beregninger av varmekapasitet, for eksempel for å beskrive sammenhengen med temperatur, er det ikke nok å kun bruke termodynamiske metoder, det er viktig å bevæpne seg med elementer av statisk fysikk.
Varmekapasiteten til gasser innebærer beregning av gjennomsnittsverdien av energien til translasjonsbevegelsen til noen molekyler. Slik bevegelse oppsummeres fra rotasjons- og translasjonsbevegelsen til molekylet, så vel som fra de indre vibrasjonene til atomer.
I statisk fysikk er det informasjon om at for hver grad av frihet for rotasjons- og translasjonsbevegelse er det en mengde for en gass som er lik halvparten av den universelle gasskonstanten.
Interessante fakta
En partikkel av en monoatomisk gass antas å ha tre translasjonsgrader av frihet, så den spesifikke varmen til en gass har tre translasjons-, to rotasjons- og en vibrasjonsfrihetsgrader. Loven om deres jevne fordeling fører til å likestille den spesifikke varmen ved et konstant volum til R.
Under forsøkene ble det funnet at varmekapasiteten til en diatomisk gass tilsvarer verdien R. Et slikt avvik mellom teori og praksis forklares med at varmekapasiteten til en ideell gass er assosiert med kvante effekter, derfor er det viktig å bruke statistikk basert på kvante når man gjør beregningermekanikk.
Basert på grunnlaget for kvantemekanikk, har ethvert system av partikler som oscillerer eller roterer, inkludert gassmolekyler, bare noen diskrete energiverdier.
Hvis energien til termisk bevegelse i systemet ikke er nok til å eksitere svingninger med en viss frekvens, bidrar ikke slike bevegelser til den totale varmekapasiteten til systemet.
Som et resultat blir en bestemt grad av frihet "frosset", det er umulig å anvende loven om ekvideling på den.
Varmekapasiteten til gasser er en viktig egenskap ved tilstanden som funksjonen til hele det termodynamiske systemet avhenger av.
Temperaturen der ekvipartisjonsloven kan brukes på vibrasjons- eller rotasjonsgraden av frihet er preget av kvanteteori, forbinder Planck-konstanten med Boltzmann-konstanten.
Diatomiske gasser
Gapene mellom rotasjonsenerginivåene til slike gasser er et lite antall grader. Unntaket er hydrogen, der temperaturverdien bestemmes av hundrevis av grader.
Det er derfor varmekapasiteten til en gass ved konstant trykk er vanskelig å beskrive med loven om jevn fordeling. I kvantestatistikken, når man bestemmer varmekapasiteten, tas det i betraktning at dens vibrasjonsdel, ved en temperaturnedgang, raskt avtar og når null.
Dette fenomenet forklarer det faktum at ved romtemperatur er det praktisk t alt ingen vibrasjonsdel av varmekapasiteten, fordiatomisk gass, tilsvarer den konstanten R.
Varmekapasiteten til en gass ved konstant volum ved lavtemperaturindikatorer bestemmes ved hjelp av kvantestatistikk. Det er Nernst-prinsippet, som kalles termodynamikkens tredje lov. Basert på formuleringen vil den molare varmekapasiteten til en gass reduseres med synkende temperatur, og tendere til null.
Features of solids
Hvis varmekapasiteten til en blanding av gasser kan forklares ved hjelp av kvantestatistikk, er termisk bevegelse preget av en fast aggregeringstilstand av små fluktuasjoner av partikler nær likevektsposisjonen.
Hvert atom har tre vibrasjonsgrader av frihet, derfor, i samsvar med ekvifordelingsloven, kan den molare varmekapasiteten til et fast stoff beregnes som 3nR, der n er antall atomer i et molekyl.
I praksis er dette tallet grensen til hvilken varmekapasiteten til et fast legeme har en tendens til ved høye temperaturer.
Maksimum kan oppnås ved vanlige temperaturer for enkelte grunnstoffer, inkludert metaller. For n=1 er Dulong- og Petit-loven oppfylt, men for komplekse stoffer er det ganske vanskelig å nå en slik grense. Siden grensen ikke kan oppnås i virkeligheten, oppstår dekomponering eller smelting av faststoffet.
History of quantum theory
Grunnleggerne av kvanteteorien er Einstein og Debye på begynnelsen av det tjuende århundre. Den er basert på kvantisering av oscillerende bevegelser av atomer i en visskrystall. Når det gjelder lavtemperaturindikatorer, viser varmekapasiteten til en solid kropp seg å være direkte proporsjonal med den absolutte verdien tatt i terninger. Dette forholdet har blitt k alt Debyes lov. Som et kriterium som gjør det mulig å skille mellom lav- og høytemperaturindikatorer, tas sammenligningen deres med Debye-temperaturen.
Denne verdien bestemmes av spekteret av vibrasjoner til et atom i kroppen, derfor avhenger den alvorlig av egenskapene til krystallstrukturen.
QD er en verdi som har flere hundre K, men den er for eksempel mye høyere i diamant.
Ledningselektronene gir et betydelig bidrag til varmekapasiteten til metaller. For å beregne det brukes Fermi-kvantestatistikken. Den elektroniske ledningsevnen for metallatomer er direkte proporsjonal med den absolutte temperaturen. Siden det er en ubetydelig verdi, tas den i betraktning bare ved temperaturer som har en tendens til absolutt null.
Metoder for å bestemme varmekapasitet
Den viktigste eksperimentelle metoden er kalorimetri. For å gjennomføre en teoretisk beregning av varmekapasitet brukes statistisk termodynamikk. Det er gyldig for en ideell gass, så vel som for krystallinske legemer, er utført på grunnlag av eksperimentelle data om strukturen til materie.
Empiriske metoder for å beregne varmekapasiteten til en ideell gass er basert på ideen om den kjemiske strukturen, bidraget fra individuelle grupper av atomer til Ср.
For væsker brukes også metoder som er basert på bruk av termodynamisksykluser som gjør det mulig å gå fra varmekapasiteten til en ideell gass til en væske gjennom derivatet av temperaturen til entalpien til fordampningsprosessen.
I tilfelle av en løsning er beregning av varmekapasiteten som en additiv funksjon ikke tillatt, siden merverdien av varmekapasiteten til løsningen i utgangspunktet er betydelig.
For å evaluere det trenger vi den molekylær-statistiske teorien om løsninger. Det vanskeligste er identifiseringen av varmekapasiteten til heterogene systemer i termodynamisk analyse.
Konklusjon
Undersøkelsen av varmekapasitet lar deg beregne energibalansen til prosesser som skjer i kjemiske reaktorer, så vel som i andre kjemiske produksjonsapparater. I tillegg er denne verdien nødvendig for valg av optimale typer kjølevæsker.
For tiden er den eksperimentelle bestemmelsen av varmekapasiteten til stoffer for ulike temperaturintervaller - fra lave verdier til høye verdier - hoved alternativet for å bestemme de termodynamiske egenskapene til et stoff. Ved beregning av entropien og entalpien til et stoff brukes varmekapasitetsintegraler. Informasjon om varmekapasiteten til kjemiske reagenser i et visst temperaturområde lar deg beregne den termiske effekten av prosessen. Informasjon om varmekapasiteten til løsninger gjør det mulig å beregne deres termodynamiske parametere ved alle temperaturverdier innenfor det analyserte intervallet.
For eksempel kjennetegnes en væske ved at en del av varmen brukes til å endre verdien av potensiell energireagerende molekyler. Denne verdien kalles "konfigurasjonsvarmekapasiteten", som brukes til å beskrive løsninger.
Det er vanskelig å utføre fullverdige matematiske beregninger uten å ta hensyn til de termodynamiske egenskapene til et stoff, dets aggregeringstilstand. Det er grunnen til at det for væsker, gasser, faste stoffer brukes en egenskap som spesifikk varmekapasitet, som gjør det mulig å karakterisere energiparametrene til et stoff.
