Tepelná kapacita plynů - co to je? Specifické teplo plynu

Tepelná kapacita plynu je množství energie, které pohlcuje těleso, když je ohříváno o jeden stupeň. Pojďme analyzovat hlavní charakteristiky dané fyzické veličiny.

Definice

Specifická tepelná kapacita plynu je jednotková hmotnost konkrétní látky. Jednotky měření jsou J / (kgmiddot-K). Množství tepla, které tělo vstřebává v procesu změny jeho souhrnného stavu, souvisí nejen s počátečním a konečným stavem, ale také se způsobem přechodu.

Rozdělení

Specifické teplo plynů je děleno množstvím určeným pro nezměněný objem (C_v), konstantní tlak (C_str).

V případě vytápění bez změny tlaku dochází k vyčerpání některých tepla při výrobě plynových dilatačních prací a část energie se spotřebovává ke zvýšení vnitřní energie.

Tepelná kapacita plynů při konstantním tlaku je určena množstvím tepla, které se vynakládá na zvýšení vnitřní energie.

Plynový stav: funkce, popis

Specifické teplo ideálního plynu se určuje s ohledem na to, že C_str-C_v= R. Toto druhé množství se nazývá univerzální plynová konstanta. Jeho hodnota odpovídá 8,314 J / (Molmiddot-K).

Při provádění teoretických výpočtů tepelné kapacity, například při popisu vztahu s teplotou, nestačí používat pouze termodynamické metody, je důležité se zbavit elementy statické fyziky.

Tepelná kapacita plynů zahrnuje výpočet průměrné hodnoty translační energie pohybu některých molekul. Takový pohyb je shrnut z rotačního a translačního pohybu molekuly, stejně jako z vnitřních vibrací atomů.

Ve statické fyzice existuje informace, že pro každý stupeň svobody rotačního a translačního pohybu existuje hodnota pro plyn, která se rovná polovině univerzální plynové konstanty.

Zajímavé fakty

Předpokládá se, že částice monatomického plynu mají tři translační stupně volnosti, takže specifické teplo plynu má tři translační, dva rotační a jeden vibrační stupeň volnosti. Zákon jejich rovnoměrného rozdělení vede k vyrovnání specifického tepla s nezměněným objemem na R.

Při experimentech bylo zjištěno, že měrné teplo diatomic plynu odpovídá hodnotě R Rozpor mezi teorií a praxí se vysvětluje tím, že tepelná kapacita ideálního plynu se vztahuje k kvantové jevy, takže ve výpočtech, je důležité použít statistik založených na kvantové mechaniky.

Vycházejíc ze základů kvantové mechaniky, každý systém částic, který vibruje nebo otáčí, včetně molekul plynu, má pouze určité diskrétní energetické hodnoty.

Pokud je energie tepelného pohybu v systému nedostatečná pro vyvolání oscilací určité frekvence, takové pohyby nepřispívají k celkové tepelné kapacitě systému.

V důsledku toho se určitý stupeň svobody stane "zmrazeným", není možné uplatňovat zákon o ekvipartifikaci.

Tepelná kapacita plynů je důležitou charakteristikou stavu, od kterého závisí fungování celého termodynamického systému.

Teplota, při které může být dosažení ekvipartiční právo aplikuje na vibrační nebo rotační stupně volnosti, vyznačující se tím, kvantové teorie, stálých spojení Planck s Boltzmannova konstanta.

Diatomické plyny

Intervaly mezi rotačními úrovněmi energie takových plynů tvoří nepatrný počet stupňů. Jedinou výjimkou je vodík, ve kterém je teplota určována stovkami stupňů.

Proto je tepelná kapacita plynu při konstantním tlaku obtížně popsána zákonem jednotné distribuce. V kvantové statistice při určování specifického tepla je třeba vzít v úvahu, že jeho vibrační část rychle klesá v případě poklesu teploty a dosáhne nuly.

Podobný jev vysvětluje skutečnost, že při pokojové teplotě neexistuje prakticky žádná vibrační část tepelné kapacity, pro diatomický plyn to odpovídá konstantě R.

Specifické teplo plynu při konstantním objemu v případě indexů nízké teploty se určuje pomocí kvantové statistiky. Existuje princip Nernst, který se nazývá třetí zákon termodynamiky. Na základě jeho formulace bude molární tepelná kapacita plynu klesat s klesající teplotou, která bude mít tendenci k nule.

Vlastnosti pevných látek

Pokud je tepelná kapacita směsi plynů vysvětlena kvantovou statistikou, pak pro pevný agregát je tepelný pohyb charakterizován nevýznamnými kmity kmitů v blízkosti rovnovážné polohy.

Každý atom má tři vibrační stupně volnosti, avšak v souladu s právem ekvipartiční molární tepelné kapacitě pevného tělesa může být vypočtena jako 3nR, kde n - počet atomů v molekule.

V praxi je takové číslo limita, na kterou má specifické teplo pevné látky tendenci při vysokých teplotách.

Maximální množství může být dosaženo při běžných teplotách u některých prvků, včetně kovů. Když n = 1, Dulong a Petit zákon je splněn, ale pro složité látky je dost těžké dosáhnout takového limitu. Jelikož ve skutečnosti není možné dosáhnout limitu, dochází k rozkladu nebo tavení pevného tělesa.

Historie kvantové teorie

Zakladateli kvantové teorie jsou Einstein a Debye na počátku dvacátého století. Je založen na kvantování vibračních pohybů atomů v určitém krystalu. V případě indexů nízké teploty se zdá, že tepelná kapacita tuhého tělesa je přímo úměrná absolutní hodnotě obsažené v krychli. Tato závislost byla nazývána Debyovým zákonem. Jako kritérium, které umožňuje rozlišovat mezi nízkými a vysokými teplotami, je třeba je porovnávat s teplotou Debye.

Taková hodnota je určena spektrem vibrací atomu v těle, proto vážně závisí na vlastnostech jeho krystalové struktury.

QD je množství, které má několik set K, ale například je pro diamant mnohem vyšší.

Vodivé elektrony významně přispívají k tepelné kapacitě kovů. K výpočtu se používá kvantová statistika Fermiho. Elektronická vodivost pro atomy kovů je přímo úměrná absolutní teplotě. Jelikož je to zanedbatelné množství, zohledňuje se pouze při teplotách, které mají tendenci k absolutní nulové hodnotě.

Metody stanovení tepelné kapacity

Hlavní experimentální metodou je kalorimetrie. Pro provedení teoretického výpočtu tepelné kapacity se používá statistická termodynamika. Je povolen ideální plyn, stejně jako pro krystalické tělo, na základě experimentálních údajů o struktuře hmoty.

Empirické metody pro výpočet specifického tepla ideálního plynu jsou založeny na koncepci chemické struktury, přínosu jednotlivých skupin atomů na C_str.

Pro kapaliny jsou také používané metody jsou založeny na použití termodynamických cyklů, což umožňuje pohybovat od ideálního plynu tepelnou kapacitu pro tekutiny přes derivát entalpii teploty odpařování.

V případě řešení není výpočet specifického tepla jako přídavné funkce povolen, protože přebytečná tepelná kapacita roztoku je nezbytně nezbytná.

Abychom jej mohli vyhodnotit, potřebujeme molekulově-statistickou teorii řešení. Nejtěžší je odhalit tepelnou kapacitu heterogenních systémů v termodynamické analýze.

Závěr

Studium tepelné kapacity umožňuje provádět výpočty energetická bilance procesy probíhající v chemických reaktorech, stejně jako v jiných zařízeních chemické výroby. Tato hodnota je navíc nezbytná pro výběr optimálních typů chladicí kapaliny.

V současné době se provádí experimentální stanovení tepelné kapacity látek pro různé teplotní intervaly - od nízkých hodnot až po vysoké hodnoty - základní variantu stanovení termodynamických vlastností látky. Při výpočtu entropie a entalpie látky se používají integrály tepelné kapacity. Informace o tepelné kapacitě chemických činidel v určitém teplotním rozmezí nám umožňují vypočítat tepelný účinek procesu. Informace o tepelné kapacitě řešení umožňují jejich výpočet termodynamické parametry při jakýchkoli teplotních hodnotách v rámci analyzovaného intervalu.

Například pro kapalinu je spotřeba části tepla charakterizována změnou velikosti potenciální energie reakčních molekul. Toto množství se nazývá "konfigurační" tepelná kapacita, která se používá k popisu řešení.

Je obtížné provádět plnohodnotné matematické výpočty bez zohlednění termodynamických vlastností látky, jejího agregátního stavu. To je důvod, proč se charakteristika používá pro kapaliny, plyny, tuhé látky, jako je specifické teplo, které umožňuje charakterizovat energetické parametry látky.