Toplotni kapacitet gasa je količina energije koju tijelo apsorbira kada se zagrije za jedan stepen. Hajde da analiziramo glavne karakteristike ove fizičke veličine.
Definicije
Specifična toplota gasa je jedinica mase određene supstance. Njegove mjerne jedinice su J/(kg·K). Količina toplote koju telo apsorbuje u procesu promene svog agregacionog stanja povezana je ne samo sa početnim i konačnim stanjem, već i sa metodom prelaza.
Odjel
Toplotni kapacitet gasova se deli sa vrednošću utvrđenom pri konstantnoj zapremini (Cv), konstantnom pritisku (Cr).
U slučaju zagrevanja bez promene pritiska, deo toplote se troši da bi se proizveo rad ekspanzije gasa, a deo energije se troši na povećanje unutrašnje energije.
Toplotni kapacitet gasova pri konstantnom pritisku određen je količinom toplote koja se troši na povećanje unutrašnje energije.
Stanje plina: karakteristike, opis
Toplotni kapacitet idealnog gasa se određuje uzimajući u obzir činjenicu da je Sp-Sv=R. Posljednja veličina se naziva univerzalna plinska konstanta. Njegova vrijednost odgovara 8,314 J/(mol K).
Prilikom izvođenja teoretskih proračuna toplotnog kapaciteta, na primjer, opisivanja odnosa s temperaturom, nije dovoljno koristiti samo termodinamičke metode, važno je naoružati se elementima statičke fizike.
Toplotni kapacitet gasova uključuje izračunavanje prosečne vrednosti energije translacionog kretanja nekih molekula. Takvo kretanje je sažeto iz rotacionog i translacionog kretanja molekula, kao i iz unutrašnjih vibracija atoma.
U statičkoj fizici postoji informacija da za svaki stepen slobode rotacionog i translacionog kretanja postoji količina za gas koja je jednaka polovini univerzalne gasne konstante.
Zanimljive činjenice
Pretpostavlja se da čestica jednoatomskog gasa ima tri translaciona stepena slobode, tako da specifična toplota gasa ima tri translaciona, dva rotirajuća i jedan vibracioni stepen slobode. Zakon njihove uniformne distribucije dovodi do izjednačavanja specifične toplote pri konstantnoj zapremini sa R.
Tokom eksperimenata je ustanovljeno da toplotni kapacitet dvoatomskog gasa odgovara vrednosti R. Ovakav nesklad između teorije i prakse objašnjava se činjenicom da je toplotni kapacitet idealnog gasa povezan sa kvantnim efekte, stoga je prilikom proračuna važno koristiti statistiku zasnovanu na kvantimamehanika.
Zasnovano na osnovama kvantne mehanike, svaki sistem čestica koje osciliraju ili rotiraju, uključujući molekule gasa, ima samo neke diskretne vrijednosti energije.
Ako energija toplotnog kretanja u sistemu nije dovoljna da pobudi oscilacije određene frekvencije, takva kretanja ne doprinose ukupnom toplotnom kapacitetu sistema.
Kao rezultat toga, određeni stepen slobode postaje "zamrznut", na njega je nemoguće primijeniti zakon jednake podjele.
Toplotni kapacitet gasova je važna karakteristika stanja od kojeg zavisi funkcionisanje celog termodinamičkog sistema.
Temperatura na kojoj se zakon ekvipartacije može primijeniti na vibracioni ili rotacijski stupanj slobode karakterizira kvantna teorija, povezuje Planckovu konstantu sa Boltzmannovom konstantom.
Dijatomski gasovi
Razzori između nivoa rotacione energije takvih gasova su mali broj stepeni. Izuzetak je vodonik, u kojem je vrijednost temperature određena stotinama stepeni.
Zato je toplotni kapacitet gasa pri konstantnom pritisku teško opisati zakonom ravnomerne raspodele. U kvantnoj statistici, pri određivanju toplotnog kapaciteta, uzima se u obzir da se njen vibracioni deo, u slučaju pada temperature, brzo smanjuje i dostiže nulu.
Ovaj fenomen objašnjava činjenicu da na sobnoj temperaturi praktički nema vibracionog dijela toplotnog kapaciteta, jerdvoatomski gas, odgovara konstanti R.
Toplotni kapacitet gasa pri konstantnoj zapremini u slučaju indikatora niske temperature određuje se pomoću kvantne statistike. Postoji Nernstov princip, koji se zove treći zakon termodinamike. Na osnovu njegove formulacije, molarni toplotni kapacitet gasa će se smanjiti sa padom temperature, težeći nuli.
Karakteristike čvrstih materijala
Ako se toplotni kapacitet mešavine gasova može objasniti kvantnom statistikom, onda za čvrsto stanje agregacije, toplotno kretanje karakterišu male fluktuacije čestica blizu ravnotežnog položaja.
Svaki atom ima tri vibraciona stepena slobode, stoga, u skladu sa zakonom ekviparticije, molarni toplotni kapacitet čvrste supstance može se izračunati kao 3nR, pri čemu je n broj atoma u molekulu.
U praksi, ovaj broj je granica kojoj teži toplotni kapacitet čvrstog tijela na visokim temperaturama.
Maksimum se može dobiti na uobičajenim temperaturama za neke elemente, uključujući metale. Za n=1 Dulongov i Petitov zakon je ispunjen, ali je za složene supstance prilično teško doći do takve granice. Pošto se granica ne može postići u stvarnosti, dolazi do raspadanja ili topljenja čvrste materije.
Istorija kvantne teorije
Osnivači kvantne teorije su Ajnštajn i Debaj na početku dvadesetog veka. Zasniva se na kvantizaciji oscilatornih kretanja atoma u određenomkristal. U slučaju indikatora niske temperature, toplinski kapacitet čvrstog tijela ispada direktno proporcionalan apsolutnoj vrijednosti uzetoj u kuckama. Ovaj odnos je nazvan Debye-ov zakon. Kao kriterijum koji omogućava razlikovanje indikatora niske i visoke temperature uzeto je njihovo poređenje sa Debye temperaturom.
Ova vrijednost je određena spektrom vibracija atoma u tijelu, stoga ozbiljno ovisi o karakteristikama njegove kristalne strukture.
QD je vrijednost koja ima nekoliko stotina K, ali je, na primjer, mnogo veća u dijamantu.
Elektroni provodljivosti daju značajan doprinos toplotnom kapacitetu metala. Za njegovo izračunavanje koristi se Fermijeva kvantna statistika. Elektronska provodljivost za atome metala je direktno proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Budući da je to beznačajna vrijednost, uzima se u obzir samo pri temperaturama koje teže apsolutnoj nuli.
Metode za određivanje toplotnog kapaciteta
Glavna eksperimentalna metoda je kalorimetrija. Da bi se izvršio teorijski proračun toplotnog kapaciteta, koristi se statistička termodinamika. Vrijedi za idealan plin, kao i za kristalna tijela, provodi se na osnovu eksperimentalnih podataka o strukturi materije.
Empirijske metode za izračunavanje toplotnog kapaciteta idealnog gasa zasnivaju se na ideji o hemijskoj strukturi, doprinosu pojedinih grupa atoma Sr.
Za tečnosti se takođe koriste metode koje se zasnivaju na upotrebi termodinamikeciklusi koji omogućavaju prelazak sa toplotnog kapaciteta idealnog gasa na tečnost kroz derivaciju temperature entalpije procesa isparavanja.
U slučaju rješenja, proračun toplinskog kapaciteta kao aditivne funkcije nije dozvoljen, jer je višak vrijednosti toplotnog kapaciteta otopine u osnovi značajan.
Da bismo to procijenili, potrebna nam je molekularno-statistička teorija rješenja. Najteže je identifikacija toplotnog kapaciteta heterogenih sistema u termodinamičkoj analizi.
Zaključak
Proučavanje toplotnog kapaciteta omogućava vam da izračunate energetski bilans procesa koji se odvijaju u hemijskim reaktorima, kao iu drugim aparatima za hemijsku proizvodnju. Osim toga, ova vrijednost je neophodna za odabir optimalnih vrsta rashladnih tečnosti.
Trenutno je eksperimentalno određivanje toplinskog kapaciteta tvari za različite temperaturne intervale - od niskih vrijednosti do visokih vrijednosti - glavna opcija za određivanje termodinamičkih karakteristika tvari. Prilikom izračunavanja entropije i entalpije tvari koriste se integrali toplinskog kapaciteta. Informacije o toplinskom kapacitetu kemijskih reagensa u određenom temperaturnom rasponu omogućavaju vam da izračunate toplinski učinak procesa. Informacije o toplotnom kapacitetu rastvora omogućavaju izračunavanje njihovih termodinamičkih parametara pri bilo kojoj vrednosti temperature unutar analiziranog intervala.
Na primjer, tekućinu karakterizira utrošak dijela topline da promijeni vrijednost potencijalne energijereagujućih molekula. Ova vrijednost se naziva "konfiguracijski" toplinski kapacitet, koristi se za opisivanje rješenja.
Teško je provesti potpune matematičke proračune bez uzimanja u obzir termodinamičkih karakteristika tvari, njenog agregacijskog stanja. Zato se za tečnosti, gasove, čvrste materije koristi takva karakteristika kao što je specifični toplotni kapacitet, što omogućava karakterizaciju energetskih parametara supstance.
