Tepelná kapacita plynu je množstvo energie, ktorú telo absorbuje, keď sa zahreje o jeden stupeň. Poďme analyzovať hlavné charakteristiky tejto fyzikálnej veličiny.
Definície
Špecifické teplo plynu je jednotková hmotnosť konkrétnej látky. Jeho merné jednotky sú J/(kg·K). Množstvo tepla, ktoré telo absorbuje v procese zmeny svojho stavu agregácie, je spojené nielen s počiatočným a konečným stavom, ale aj so spôsobom prechodu.
Oddelenie
Tepelná kapacita plynov sa delí hodnotou určenou pri konštantnom objeme (Cv), konštantnom tlaku (Cр).
V prípade vykurovania bez zmeny tlaku sa určité množstvo tepla vynakladá na prácu pri expanzii plynu a časť energie sa spotrebuje na zvýšenie vnútornej energie.
Tepelná kapacita plynov pri konštantnom tlaku je určená množstvom tepla, ktoré sa spotrebuje na zvýšenie vnútornej energie.
Stav plynu: vlastnosti, popis
Tepelná kapacita ideálneho plynu sa určuje s ohľadom na skutočnosť, že Сp-Сv=R. Posledná uvedená veličina sa nazýva univerzálna plynová konštanta. Jeho hodnota zodpovedá 8,314 J/(mol K).
Pri teoretických výpočtoch tepelnej kapacity, napríklad pri popisovaní vzťahu s teplotou, nestačí použiť iba termodynamické metódy, je dôležité vyzbrojiť sa prvkami statickej fyziky.
Tepelná kapacita plynov zahŕňa výpočet priemernej hodnoty energie translačného pohybu niektorých molekúl. Takýto pohyb je zhrnutý z rotačného a translačného pohybu molekuly, ako aj z vnútorných vibrácií atómov.
V statickej fyzike existuje informácia, že pre každý stupeň voľnosti rotačného a translačného pohybu existuje množstvo plynu, ktoré sa rovná polovici univerzálnej plynovej konštanty.
Zaujímavé fakty
Predpokladá sa, že častica monatomického plynu má tri translačné stupne voľnosti, takže špecifické teplo plynu má tri translačné, dva rotačné a jeden vibračný stupeň voľnosti. Zákon ich rovnomernej distribúcie vedie k prirovnaniu špecifického tepla pri konštantnom objeme k R.
Počas experimentov sa zistilo, že tepelná kapacita dvojatómového plynu zodpovedá hodnote R. Takýto rozpor medzi teóriou a praxou sa vysvetľuje tým, že tepelná kapacita ideálneho plynu je spojená s kvant. účinky, preto je pri výpočtoch dôležité používať štatistiku založenú na kvantmechanika.
Na základoch kvantovej mechaniky má každý systém častíc, ktoré oscilujú alebo rotujú, vrátane molekúl plynu, iba určité diskrétne hodnoty energie.
Ak energia tepelného pohybu v systéme nestačí na vybudenie oscilácií určitej frekvencie, takéto pohyby neprispievajú k celkovej tepelnej kapacite systému.
Výsledkom je, že určitý stupeň voľnosti „zamrzne“, nie je možné naň aplikovať zákon ekvipartície.
Tepelná kapacita plynov je dôležitou charakteristikou stavu, od ktorej závisí fungovanie celého termodynamického systému.
Teplota, pri ktorej je možné aplikovať zákon ekvipartície na vibračný alebo rotačný stupeň voľnosti, je charakterizovaná kvantovou teóriou, spája Planckovu konštantu s Boltzmannovou konštantou.
Diatomické plyny
Rozdiely medzi úrovňami rotačnej energie takýchto plynov sú malý počet stupňov. Výnimkou je vodík, v ktorom je hodnota teploty určená stovkami stupňov.
Preto je ťažké opísať tepelnú kapacitu plynu pri konštantnom tlaku zákonom rovnomerného rozloženia. V kvantovej štatistike sa pri určovaní tepelnej kapacity berie do úvahy, že jej vibračná časť v prípade poklesu teploty rýchlo klesá a dosahuje nulu.
Tento jav vysvetľuje skutočnosť, že pri izbovej teplote prakticky neexistuje žiadna vibračná časť tepelnej kapacity, napr.dvojatómový plyn, zodpovedá konštante R.
Tepelná kapacita plynu pri konštantnom objeme v prípade indikátorov nízkej teploty sa určuje pomocou kvantovej štatistiky. Existuje Nernstov princíp, ktorý sa nazýva tretí termodynamický zákon. Na základe jeho formulácie bude molárna tepelná kapacita plynu klesať s klesajúcou teplotou a má tendenciu k nule.
Vlastnosti pevných látok
Ak sa dá tepelná kapacita zmesi plynov vysvetliť pomocou kvantovej štatistiky, potom pre pevný stav agregácie je tepelný pohyb charakterizovaný miernymi fluktuáciami častíc v blízkosti rovnovážnej polohy.
Každý atóm má tri vibračné stupne voľnosti, preto v súlade so zákonom ekvipartície možno molárnu tepelnú kapacitu tuhej látky vypočítať ako 3nR, pričom n je počet atómov v molekule.
V praxi je toto číslo hranicou, ku ktorej má tepelná kapacita pevného telesa tendenciu pri vysokých teplotách.
Pri niektorých prvkoch vrátane kovov možno maximum dosiahnuť pri bežných teplotách. Pre n=1 je splnený Dulongov a Petitov zákon, ale pre zložité látky je dosť ťažké dosiahnuť takúto hranicu. Keďže limit nie je možné v skutočnosti dosiahnuť, dochádza k rozkladu alebo topeniu tuhej látky.
História kvantovej teórie
Zakladateľmi kvantovej teórie sú Einstein a Debye na začiatku dvadsiateho storočia. Je založená na kvantovaní oscilačných pohybov atómov v určitomkryštál. V prípade indikátorov nízkej teploty sa ukazuje, že tepelná kapacita pevného telesa je priamo úmerná absolútnej hodnote nameranej na kocky. Tento vzťah sa nazýva Debyeov zákon. Ako kritérium, ktoré umožňuje rozlíšiť medzi indikátormi nízkej a vysokej teploty, sa berie ich porovnanie s teplotou Debye.
Táto hodnota je určená spektrom vibrácií atómu v tele, preto veľmi závisí od vlastností jeho kryštálovej štruktúry.
QD je hodnota, ktorá má niekoľko stoviek K, ale napríklad v diamante je oveľa vyššia.
Vodivé elektróny významne prispievajú k tepelnej kapacite kovov. Na jej výpočet sa používa kvantová štatistika Fermi. Elektronická vodivosť pre atómy kovov je priamo úmerná absolútnej teplote. Keďže ide o nevýznamnú hodnotu, berie sa do úvahy iba pri teplotách s tendenciou k absolútnej nule.
Metódy na určenie tepelnej kapacity
Hlavnou experimentálnou metódou je kalorimetria. Na vykonanie teoretického výpočtu tepelnej kapacity sa používa štatistická termodynamika. Platí pre ideálny plyn, ako aj pre kryštalické telesá, vykonáva sa na základe experimentálnych údajov o štruktúre hmoty.
Empirické metódy na výpočet tepelnej kapacity ideálneho plynu sú založené na myšlienke chemickej štruktúry, príspevku jednotlivých skupín atómov k Ср.
Pre kvapaliny sa používajú aj metódy, ktoré sú založené na využití termodynamikycyklov, ktoré umožňujú prejsť z tepelnej kapacity ideálneho plynu do kvapaliny prostredníctvom derivácie teploty entalpie procesu vyparovania.
V prípade riešenia nie je povolený výpočet tepelnej kapacity ako aditívnej funkcie, pretože nadhodnota tepelnej kapacity riešenia je v zásade významná.
Na jej vyhodnotenie potrebujeme molekulárno-štatistickú teóriu riešení. Najťažšia je identifikácia tepelnej kapacity heterogénnych systémov v termodynamickej analýze.
Záver
Štúdium tepelnej kapacity vám umožňuje vypočítať energetickú bilanciu procesov prebiehajúcich v chemických reaktoroch, ako aj v iných chemických výrobných zariadeniach. Okrem toho je táto hodnota potrebná pre výber optimálnych typov chladív.
V súčasnosti je experimentálne stanovenie tepelnej kapacity látok pre rôzne teplotné intervaly - od nízkych hodnôt po vysoké hodnoty - hlavnou možnosťou na určenie termodynamických charakteristík látky. Pri výpočte entropie a entalpie látky sa používajú integrály tepelnej kapacity. Informácie o tepelnej kapacite chemických činidiel v určitom teplotnom rozsahu vám umožňujú vypočítať tepelný účinok procesu. Informácie o tepelnej kapacite roztokov umožňujú vypočítať ich termodynamické parametre pri akýchkoľvek teplotných hodnotách v rámci analyzovaného intervalu.
Napríklad kvapalina je charakterizovaná výdajom časti tepla na zmenu hodnoty potenciálnej energiereagujúce molekuly. Táto hodnota sa nazýva „konfiguračná“tepelná kapacita, ktorá sa používa na popis riešení.
Je ťažké vykonávať plnohodnotné matematické výpočty bez zohľadnenia termodynamických charakteristík látky, jej stavu agregácie. Preto sa pre kvapaliny, plyny, tuhé látky používa taká charakteristika ako merná tepelná kapacita, ktorá umožňuje charakterizovať energetické parametre látky.
