Капацитет на газа - какво е това? Специфична топлина на газа

Топлинният капацитет на газа е количеството енергия, което абсорбира тялото, когато се нагрее с една степен. Да анализираме основните характеристики на дадено физическо количество.

дефинира

Специфичният топлинен капацитет на газа е единичната маса на дадено вещество. Неговите единици за измерване са J / (kgmiddot-K). Количеството топлина, което се абсорбира от тялото в процеса на промяна на агрегатното му състояние, е свързано не само с началното и крайното състояние, но и с метода на прехода.

подразделение

Специфичната топлина на газовете се разделя на количество, определено за непроменен обем (С_V), постоянно налягане (С_R).

В случай на отопление, без да се променя налягането, известно количество топлина се изразходва за производството на газоразпределителните работи и част от енергията се изразходва за увеличаване на вътрешната енергия.

Топлинният капацитет на газовете при постоянно налягане се определя от количеството топлина, което се изразходва за увеличаване на вътрешната енергия.

Газообразно състояние: характеристики, описание

Специфичната топлина на идеален газ се определя, като се вземе предвид, че С_р-C_V= R. Последното количество се нарича универсална газова константа. Стойността му съответства на 8.314 J / (Molmiddot-K).

При извършване на теоретични изчисления на топлинната мощност, например, описвайки връзката с температурата, не е достатъчно да се използват само термодинамични методи, важно е да се въоръжат с елементи на статичната физика.

Топлинният капацитет на газовете включва изчисляване на средната стойност на транслационната енергия на движението на някои молекули. Това движение се обобщава от ротационното и транслационното движение на молекулата, както и от вътрешните вибрации на атомите.

В статичната физика съществува информация, че за всяка степен на свобода на ротационно и транслационно движение има стойност за газ, равна на половината от универсалната газова константа.

Интересни факти

В един едноатомен газ частици приема три транслационни степени на свобода, така че специфичната топлина на газа има три транслационни две въртене, вибрационна една степен на свобода. Законът за тяхното равномерно разпределение води до приравняване на специфичната топлина с непроменен обем към R.

По време на експериментите е установено, че специфичната топлина на двуатомен газ съответства на Р. на стойност Несъответствието между теория и практика се обяснява с факта, че топлинен капацитет на идеален газ е свързана с квантовите ефекти, така че в изчисленията е важно да се използват статистически данни, основаващи се на квантовата механика.

Като се започне от основите на квантовата механика, всяка система от частици, които вибрират или се въртят, включително газови молекули, има само определени дискретни енергийни стойности.

Ако енергията на топлинното движение е недостатъчна в системата за възбуждане на колебания на определена честота, такива движения не допринасят за общата топлинна мощност на системата.

В резултат на това специфичната степен на свобода става "замразена", е невъзможно да се прилага правото на равнопоставеност.

Топлинният капацитет на газовете е важна характеристика на състоянието, от което зависи функционирането на цялата термодинамична система.

Температурата, при която законът за равнопоставеност може да се прилага към вибрационната или ротационната степен на свобода, се характеризира с квантова теория, свързва Планкската константа с константата на Болцман.

Диатомични газове

Интервалите между ротационните енергийни нива на такива газове съставляват незначителен брой градуси. Единственото изключение е водородът, при който температурата се определя от стотици градуси.

Ето защо топлинният капацитет на газ при постоянен натиск е трудно да се опише от закона за равномерно разпределение. При квантовата статистика, при определяне на специфичната топлина се взема предвид, че нейната вибрационна част намалява бързо в случай на понижаване на температурата, достигайки нула.

Подобен феномен обяснява факта, че при стайни температури практически няма вибрационна част от топлинната мощност, за диатомичен газ той съответства на постоянна R.

Специфичната топлина на газ при постоянен обем при ниски температурни индекси се определя чрез квантова статистика. Налице е принципът Nernst, който се нарича третият закон на термодинамиката. Въз основа на неговата формулировка, моларната топлинна мощност на газа ще намалява с намаляваща температура, като се запазва нула.

Характеристики на твърдите вещества

Ако топлинният капацитет на газова смес може да се обясни с квантова статистика, тогава за твърдо агрегатно състояние термичното движение се характеризира с незначителни колебания на частици в близост до равновесното положение.

Всеки атом има три вибрационни степени на свобода, следователно, в съответствие със закона за равномерното разпределение, моларната топлинна мощност на твърдото вещество може да се изчисли като 3nR, където п е броят на атомите в молекулата.

На практика такъв брой е границата, на която специфичната топлина на твърдо вещество има тенденция при високи температурни стойности.

Максималната стойност може да се получи при обикновени температури за някои елементи, включително метали. Когато n = 1, Dulong и Petit закон е изпълнен, но за сложни вещества е доста трудно да се достигне такова ограничение. Тъй като в действителност е невъзможно да се получи граница, разлагането или разтапянето на твърдо вещество се извършва.

Историята на квантовата теория

Основателите на квантовата теория са Айнщайн и Деби в началото на ХХ век. Тя се основава на квантизацията на вибрационните движения на атомите в определен кристал. В случай на индекси на ниска температура, топлинният капацитет на твърдо вещество изглежда директно пропорционален на абсолютната стойност, взета в куба. Тази зависимост се наричаше закон на Деби. Като критерий, който прави възможно разграничаването между ниски и високи температурни индекси, се прави сравнение с температурата на Debye.

Такава стойност се определя от спектъра на вибрациите на атома в тялото, затова сериозно зависи от характеристиките на неговата кристална структура.

QD е количество, което има няколкостотин K, но например е много по-високо за диамант.

Електрическите проводници имат значителен принос за топлинния капацитет на металите. За да го изчисли, се използва квантова статистика на Ферми. Електронната проводимост за металните атоми е директно пропорционална на абсолютната температура. Тъй като това е незначително количество, то се взема предвид само при температури, които са с абсолютна нула.

Методи за определяне на топлинната мощност

Основният експериментален метод е калориметрията. За да се извърши теоретично изчисление на топлинния капацитет, се използва статистическа термодинамика. Допустимо е за идеален газ, както и за кристални тела, въз основа на експериментални данни за структурата на материята.

Емпиричните методи за изчисляване на специфичната топлина на идеален газ се основават на концепцията за химичната структура, приноса на отделните групи атоми към С_R.

Течностите също така използват методи, които разчитат на използването на термодинамични цикли, които позволяват да премине от специфичната топлина на идеален газ към течност чрез производното на енталпията на процеса на изпаряване.

В случай на решение, изчисляването на специфичната топлина като допълнителна функция не се допуска, тъй като излишъкът от топлинна мощност на разтвора е по същество необходим.

За да го оценим, се нуждаем от молекулярно-статистическа теория на решенията. Най-трудно е да се разкрие топлинният капацитет на хетерогенните системи в термодинамичния анализ.

заключение

Проучването на топлинния капацитет дава възможност за извършване на изчисления енергийния баланс процеси, протичащи в химични реактори, както и в други устройства за химическо производство. Освен това, тази стойност е необходима за избор на оптимални видове охлаждащи течности.

Понастоящем се извършва експериментално определяне на топлинния капацитет на веществата за различни температурни интервали - от ниски стойности до високи стойности - основен вариант за определяне на термодинамичните характеристики на дадено вещество. При изчисляване на ентропията и енталпията на дадено вещество се използват интегралите на топлинната мощност. Информацията за топлинния капацитет на химичните реагенти в определен температурен диапазон ни позволява да изчислим топлинния ефект на процеса. Информацията за топлинната мощност на разтворите дава възможност за изчисляването им термодинамични параметри при всякакви температурни стойности в рамките на анализирания интервал.

Например, за течност, консумацията на част от топлината се характеризира с промяна в големината на потенциалната енергия на реагиращите молекули. Това количество се нарича "конфигурация" топлинна мощност, използвана за описание на решения.

Трудно е да се провеждат пълноправни математически изчисления, без да се вземат предвид термодинамичните характеристики на веществото, агрегатното му състояние. Ето защо характеристиката се използва за течности, газове, твърди вещества, като специфичната топлина, която позволява да се характеризират енергийните параметри на дадено вещество.