Capacitatea termică a unui gaz este cantitatea de energie pe care o absoarbe un corp atunci când este încălzit cu un grad. Să analizăm principalele caracteristici ale acestei mărimi fizice.
Definiții
Căldura specifică a unui gaz este unitatea de masă a unei anumite substanțe. Unitățile sale de măsură sunt J/(kg·K). Cantitatea de căldură care este absorbită de organism în procesul de schimbare a stării sale de agregare este asociată nu numai cu starea inițială și finală, ci și cu metoda de tranziție.
Departament
Capacitatea termică a gazelor se împarte la valoarea determinată la volum constant (Cv), presiune constantă (Cр).
În cazul încălzirii fără modificarea presiunii, o parte de căldură este cheltuită pentru a produce activitatea de dilatare a gazului, iar o parte din energie este cheltuită pentru a crește energia internă.
Capacitatea termică a gazelor la presiune constantă este determinată de cantitatea de căldură cheltuită pentru creșterea energiei interne.
Starea gazului: caracteristici, descriere
Capacitatea termică a unui gaz ideal se determină ținând cont de faptul că Сp-Сv=R. Ultima cantitate se numește constanta universală a gazului. Valoarea acestuia corespunde cu 8,314 J/(mol K).
Când efectuați calcule teoretice ale capacității termice, de exemplu, descriind relația cu temperatura, nu este suficient să folosiți doar metode termodinamice, este important să vă înarmați cu elemente de fizică statică.
Capacitatea termică a gazelor presupune calcularea valorii medii a energiei mișcării de translație a unor molecule. O astfel de mișcare este rezumată din mișcarea de rotație și de translație a moleculei, precum și din vibrațiile interne ale atomilor.
În fizica statică, există informații că pentru fiecare grad de libertate de mișcare de rotație și translație, există o cantitate pentru un gaz care este egală cu jumătate din constanta universală a gazului.
Fapte interesante
Se presupune că o particulă dintr-un gaz monoatomic are trei grade de translație de libertate, deci căldura specifică a unui gaz are trei grade de translație, două de rotație și unul de vibrație. Legea distribuției lor uniforme conduce la echivalarea căldurii specifice la un volum constant cu R.
În timpul experimentelor, s-a constatat că capacitatea termică a unui gaz biatomic corespunde valorii R. O astfel de discrepanță între teorie și practică se explică prin faptul că capacitatea termică a unui gaz ideal este asociată cuantica. efecte, prin urmare, atunci când faceți calcule, este important să folosiți statistici bazate pe cuantummecanică.
Pe bazele mecanicii cuantice, orice sistem de particule care oscilează sau se rotesc, inclusiv moleculele de gaz, are doar câteva valori discrete ale energiei.
Dacă energia mișcării termice din sistem nu este suficientă pentru a excita oscilații de o anumită frecvență, astfel de mișcări nu contribuie la capacitatea totală de căldură a sistemului.
Ca urmare, un anumit grad de libertate devine „înghețat”, fiind imposibil să-i aplici legea echipartiției.
Capacitatea termică a gazelor este o caracteristică importantă a stării de care depinde funcționarea întregului sistem termodinamic.
Temperatura la care legea echipartiției poate fi aplicată gradului de libertate vibrațional sau rotațional este caracterizată de teoria cuantică, conectează constanta Planck cu constanta Boltzmann.
Gaze diatomice
Decalajele dintre nivelurile de energie de rotație ale unor astfel de gaze sunt de un număr mic de grade. Excepția este hidrogenul, în care valoarea temperaturii este determinată de sute de grade.
De aceea capacitatea termică a unui gaz la presiune constantă este greu de descris prin legea distribuției uniforme. În statistica cuantică, la determinarea capacității termice, se ține cont că partea sa vibrațională, în cazul scăderii temperaturii, scade rapid și ajunge la zero.
Acest fenomen explică faptul că la temperatura camerei nu există practic nicio parte vibrațională a capacității termice, pt.gaz diatomic, acesta corespunde constantei R.
Capacitatea termică a unui gaz la volum constant în cazul indicatorilor de temperatură scăzută este determinată folosind statistici cuantice. Există principiul Nernst, care se numește a treia lege a termodinamicii. Pe baza formulării sale, capacitatea de căldură molară a unui gaz va scădea odată cu scăderea temperaturii, tinzând spre zero.
Caracteristicile solidelor
Dacă capacitatea termică a unui amestec de gaze poate fi explicată folosind statistici cuantice, atunci pentru o stare solidă de agregare, mișcarea termică este caracterizată de ușoare fluctuații ale particulelor în apropierea poziției de echilibru.
Fiecare atom are trei grade de vibrație de libertate, prin urmare, în conformitate cu legea echipartiției, capacitatea de căldură molară a unui solid poate fi calculată ca 3nR, n fiind numărul de atomi dintr-o moleculă.
În practică, acest număr este limita la care tinde capacitatea termică a unui corp solid la temperaturi ridicate.
Maximul poate fi obținut la temperaturi obișnuite pentru unele elemente, inclusiv pentru metale. Pentru n=1, legea Dulong și Petit este îndeplinită, dar pentru substanțele complexe este destul de dificil să se atingă o astfel de limită. Deoarece limita nu poate fi obținută în realitate, are loc descompunerea sau topirea solidului.
Istoria teoriei cuantice
Fondatorii teoriei cuantice sunt Einstein și Debye la începutul secolului al XX-lea. Se bazează pe cuantificarea mișcărilor oscilatorii ale atomilor într-un anumitcristal. În cazul indicatorilor de temperatură scăzută, capacitatea termică a unui corp solid se dovedește a fi direct proporțională cu valoarea absolută luată în cuburi. Această relație a fost numită legea lui Debye. Ca criteriu care face posibilă distincția între indicatorii de temperatură scăzută și cea ridicată, se ia compararea acestora cu temperatura Debye.
Această valoare este determinată de spectrul de vibrații al unui atom din corp, de aceea depinde în mod serios de caracteristicile structurii sale cristaline.
QD este o valoare care are câteva sute de K, dar, de exemplu, este mult mai mare în diamant.
Electronii de conducție au o contribuție semnificativă la capacitatea de căldură a metalelor. Pentru a-l calcula, sunt folosite statisticile cuantice Fermi. Conductivitatea electronică a atomilor de metal este direct proporțională cu temperatura absolută. Deoarece este o valoare nesemnificativă, se ia în considerare numai la temperaturi care tind spre zero absolut.
Metode pentru determinarea capacității termice
Metoda experimentală principală este calorimetria. Pentru a efectua un calcul teoretic al capacității termice, se utilizează termodinamica statistică. Este valabil pentru un gaz ideal, precum și pentru corpurile cristaline, se realizează pe baza datelor experimentale privind structura materiei.
Metodele empirice pentru calcularea capacității termice a unui gaz ideal se bazează pe ideea structurii chimice, contribuția grupurilor individuale de atomi la Ср.
Pentru lichide, se folosesc și metode care se bazează pe utilizarea termodinamiciicicluri care fac posibilă trecerea de la capacitatea termică a unui gaz ideal la un lichid prin derivata temperaturii entalpiei procesului de evaporare.
În cazul unei soluții, calculul capacității termice ca funcție aditivă nu este permis, deoarece valoarea în exces a capacității termice a soluției este în principiu semnificativă.
Pentru a o evalua, avem nevoie de teoria statistică moleculară a soluțiilor. Cea mai dificilă este identificarea capacității termice a sistemelor eterogene în analiza termodinamică.
Concluzie
Studiul capacității termice vă permite să calculați bilanțul energetic al proceselor care au loc în reactoare chimice, precum și în alte aparate de producție chimică. În plus, această valoare este necesară pentru selectarea tipurilor optime de lichide de răcire.
În prezent, determinarea experimentală a capacității termice a substanțelor pentru diferite intervale de temperatură - de la valori scăzute la valori mari - este principala opțiune pentru determinarea caracteristicilor termodinamice ale unei substanțe. Atunci când se calculează entropia și entalpia unei substanțe, se folosesc integralele capacității termice. Informațiile despre capacitatea termică a reactanților chimici într-un anumit interval de temperatură vă permit să calculați efectul termic al procesului. Informațiile despre capacitatea termică a soluțiilor fac posibilă calcularea parametrilor termodinamici ai acestora la orice valoare a temperaturii în intervalul analizat.
De exemplu, un lichid se caracterizează prin consumarea unei părți din căldură pentru a modifica valoarea energiei potențialemolecule care reacţionează. Această valoare se numește capacitatea de căldură „de configurare”, folosită pentru a descrie soluțiile.
Este dificil să faci calcule matematice cu drepturi depline fără a ține cont de caracteristicile termodinamice ale unei substanțe, de starea ei de agregare. De aceea, pentru lichide, gaze, solide se folosește o caracteristică precum capacitatea termică specifică, care face posibilă caracterizarea parametrilor energetici ai unei substanțe.
