Specifični toplinski kapacitet tvari je. Specifični toplinski kapacitet: definicija, vrijednosti, primjeri

Voda je jedna od najnevjerojatnijih tvari. Usprkos široka upotreba i sveprisutne upotrebe, pravi je misterij prirode. Budući da je jedan od kisikovih spojeva, čini se da bi voda trebala imati vrlo niske karakteristike kao što su smrzavanje, toplina isparavanja itd. Ali to se ne događa. Toplinski kapacitet same vode, unatoč svemu, iznimno je velik.

Voda je u stanju apsorbirati ogromnu količinu topline, a sama se praktički ne zagrijava - to je njezina fizička značajka. voda je oko pet puta veća od toplinskog kapaciteta pijeska, a deset puta veća od željeza. Stoga je voda prirodno rashladno sredstvo. Njegova sposobnost akumulacije veliki broj energija vam omogućuje da izgladite temperaturne fluktuacije na površini Zemlje i regulirate toplinski režim na cijelom planetu, a to se događa bez obzira na doba godine.

Ovo je jedinstveno svojstvo voda omogućuje da se koristi kao rashladno sredstvo u industriji iu svakodnevnom životu. Osim toga, voda je široko dostupna i relativno jeftina sirovina.

Što se podrazumijeva pod toplinskim kapacitetom? Kao što je poznato iz tečaja termodinamike, prijenos topline se uvijek događa s vrućeg na hladno tijelo. Pri čemu pričamo o prijelazu određene količine topline, a temperatura oba tijela, kao karakteristika njihovog stanja, pokazuje smjer te izmjene. U procesu metalnog tijela s vodom jednake mase pri istim početnim temperaturama, metal mijenja svoju temperaturu nekoliko puta više od vode.

Ako kao postulat uzmemo glavnu tvrdnju termodinamike - iz dva tijela (izolirana od drugih), tijekom izmjene topline, jedno odaje, a drugo prima jednaku količinu topline, tada postaje jasno da metal i voda imaju potpuno različitu toplinu kapacitete.

Dakle, toplinski kapacitet vode (kao i bilo koje tvari) je pokazatelj koji karakterizira sposobnost dane tvari da da (ili primi) nešto tijekom hlađenja (grijanja) po jedinici temperature.

Specifični toplinski kapacitet tvari je količina topline potrebna za zagrijavanje jedinice ove tvari (1 kilogram) za 1 stupanj.

Količina topline koju tijelo oslobađa ili apsorbira jednaka je umnošku specifičnog toplinskog kapaciteta, mase i temperaturne razlike. Mjeri se u kalorijama. Jedna kalorija je točno ona količina topline koja je dovoljna da se 1 g vode zagrije za 1 stupanj. Za usporedbu: specifični toplinski kapacitet zraka je 0,24 cal/g ∙°C, aluminija 0,22, željeza 0,11, a žive 0,03.

Toplinski kapacitet vode nije konstantan. S porastom temperature od 0 do 40 stupnjeva, lagano se smanjuje (sa 1,0074 na 0,9980), dok se za sve ostale tvari ova karakteristika povećava tijekom zagrijavanja. Osim toga, može se smanjiti s povećanjem tlaka (na dubini).

Kao što znate, voda ima tri agregatna stanja - tekuće, kruto (led) i plinovito (para). Istodobno, specifični toplinski kapacitet leda je približno 2 puta manji od kapaciteta vode. To je glavna razlika između vode i drugih tvari, čiji se specifični toplinski kapacitet u čvrstom i rastaljenom stanju ne mijenja. U čemu je tu tajna?

Činjenica je da led ima kristalnu strukturu, koja se ne sruši odmah kada se zagrije. Voda sadrži male čestice leda, koje se sastoje od nekoliko molekula i nazivaju se suradnicima. Kada se voda zagrijava, dio se troši na uništavanje vodikovih veza u tim formacijama. To objašnjava neobično visok toplinski kapacitet vode. Veze između njegovih molekula potpuno su uništene tek kada voda prijeđe u paru.

Specifični toplinski kapacitet pri temperaturi od 100°C gotovo se ne razlikuje od onog kod leda na 0°C. To još jednom potvrđuje ispravnost ovog objašnjenja. Toplinski kapacitet pare, kao i toplinski kapacitet leda, sada je puno bolje shvaćen od kapaciteta vode, o čemu znanstvenici još nisu došli do konsenzusa.

Svaki se školarac u nastavi fizike susreće s konceptom kao što je "specifični toplinski kapacitet". U većini slučajeva ljudi zaborave školsku definiciju, a često uopće ne razumiju značenje ovog pojma. Na tehničkim sveučilištima većina studenata će se prije ili kasnije susresti određena toplina. Možda, kao dio studija fizike, ili će možda netko imati takvu disciplinu kao što je "toplinska tehnika" ili "tehnička termodinamika". U ovom slučaju, morate zapamtiti školski kurikulum. Dakle, ispod je definicija, primjeri, značenja za neke tvari.

Definicija

Specifični toplinski kapacitet je fizikalna veličina koja karakterizira koliko topline mora biti dovedeno jedinici tvari ili oduzeto jedinici tvari da bi se njezina temperatura promijenila za jedan stupanj. Važno je poništiti da nije važno, stupnjeva Celzija, Kelvina i Fahrenheita, glavna stvar je promjena temperature po jedinici.

Specifični toplinski kapacitet ima svoju mjernu jedinicu - in međunarodni sustav jedinice (SI) - Joule podijeljen umnoškom kilograma i stupnja Kelvina, J / (kg K); jedinica izvan sustava je omjer kalorije i umnoška kilograma i stupnja Celzijusa, cal/(kg °C). Ova se vrijednost najčešće označava slovom c ili C, ponekad se koriste indeksi. Na primjer, ako je tlak konstantan, onda je indeks p, a ako je volumen konstantan, tada je v.

Varijacije definicija

Nekoliko formulacija definicije raspravlja fizička veličina. Uz navedeno, prihvatljivom se smatra i definicija koja kaže da je specifični toplinski kapacitet omjer vrijednosti toplinskog kapaciteta tvari i njezine mase. U ovom slučaju potrebno je jasno razumjeti što je "toplinski kapacitet". Dakle, toplinski kapacitet naziva se fizikalna veličina koja pokazuje koliko topline treba donijeti ili odvesti tijelo (tvar) da bi se vrijednost njegove temperature promijenila za jedan. Specifični toplinski kapacitet mase tvari veće od kilograma određuje se na isti način kao i za jednu vrijednost.

Neki primjeri i značenja za razne tvari

Eksperimentalno je utvrđeno da za različite tvari ovo značenje je drugačije. Na primjer, specifični toplinski kapacitet vode je 4,187 kJ/(kg K). Najviše veliku važnost ove fizikalne veličine za vodik je 14,300 kJ / (kg K), najmanja za zlato je 0,129 kJ / (kg K). Ako vam je potrebna vrijednost za određenu tvar, tada morate uzeti referentnu knjigu i pronaći odgovarajuće tablice, au njima - vrijednosti koje vas zanimaju. Međutim moderne tehnologije omogućuju vam da na trenutke ubrzate proces pretraživanja - dovoljno je na bilo kojem telefonu koji ima mogućnost ulaska na World Wide Web, upišite pitanje koje vas zanima u traku za pretraživanje, pokrenite pretragu i potražite odgovor na temelju rezultata . U većini slučajeva morate kliknuti na prvu poveznicu. Međutim, ponekad uopće ne morate ići nigdje drugdje - unutra Kratki opis informacije pokazuju odgovor na pitanje.

Najčešće tvari za koje traže toplinski kapacitet, uključujući specifičnu toplinu, su:

zrak (suhi) - 1,005 kJ / (kg K),
aluminij - 0,930 kJ / (kg K),
bakar - 0,385 kJ / (kg K),
etanol - 2,460 kJ / (kg K),
željezo - 0,444 kJ / (kg K),
živa - 0,139 kJ / (kg K),
kisik - 0,920 kJ / (kg K),
drvo - 1700 kJ/(kg K),
pijesak - 0,835 kJ/(kg K).

Toplinski kapacitet je sposobnost da apsorbira određenu količinu topline tijekom zagrijavanja ili da je oda hlađenjem. Toplinski kapacitet tijela je omjer beskonačno male količine topline koju tijelo primi i odgovarajućeg povećanja njegovih temperaturnih pokazatelja. Vrijednost se mjeri u J/K. U praksi se koristi nešto drugačija vrijednost - specifični toplinski kapacitet.

Definicija

Što znači specifični toplinski kapacitet? Ovo je količina koja se odnosi na jednu količinu tvari. U skladu s tim, količina tvari može se mjeriti u kubičnim metrima, kilogramima ili čak u molovima. O čemu ovisi? U fizici toplinski kapacitet izravno ovisi o tome na koju se kvantitativnu jedinicu odnosi, što znači da razlikuju molarni, maseni i volumetrijski toplinski kapacitet. U građevinskoj industriji nećete se susresti s molarnim mjerenjima, već s drugima – cijelo vrijeme.

Što utječe na specifični toplinski kapacitet?

Znate što je toplinski kapacitet, ali koje vrijednosti utječu na indikator još nije jasno. Na vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta izravno utječe nekoliko komponenti: temperatura tvari, tlak i druge termodinamičke karakteristike.

Kako temperatura proizvoda raste, njegov specifični toplinski kapacitet raste, međutim, određene tvari razlikuju se u potpuno nelinearnoj krivulji u ovoj ovisnosti. Na primjer, s povećanjem pokazatelja temperature od nula do trideset sedam stupnjeva, specifični toplinski kapacitet vode počinje se smanjivati, a ako je granica između trideset sedam i sto stupnjeva, indikator će, naprotiv, povećati.

Vrijedi napomenuti da parametar također ovisi o tome kako se termodinamičke karakteristike proizvoda (tlak, volumen i tako dalje) smiju mijenjati. Na primjer, specifična toplina pri stabilnom tlaku i pri stabilnom volumenu bit će različita.

Kako izračunati parametar?

Zanima li vas koliki je toplinski kapacitet? Formula izračuna je sljedeća: C \u003d Q / (m ΔT). Koje su to vrijednosti? Q je količina topline koju proizvod primi kada se zagrije (ili oslobodi proizvod tijekom hlađenja). m je masa proizvoda, a ΔT je razlika između konačne i početne temperature proizvoda. Ispod je tablica toplinskog kapaciteta nekih materijala.

Što se može reći o izračunu toplinskog kapaciteta?

Proračun toplinskog kapaciteta nije lak zadatak, pogotovo ako se koriste samo termodinamičke metode, nemoguće ga je preciznije napraviti. Stoga se fizičari koriste metodama statističke fizike ili poznavanjem mikrostrukture proizvoda. Kako izračunati za plin? Toplinski kapacitet plina izračunava se iz proračuna prosječne energije toplinskog gibanja pojedinih molekula u tvari. Kretanja molekula mogu biti translacijskog i rotacijskog tipa, a unutar molekule može postojati cijeli atom ili vibracija atoma. Klasična statistika kaže da za svaki stupanj slobode rotacijskih i translacijskih gibanja postoji molarna vrijednost, koja je jednaka R / 2, a za svaki vibracijski stupanj slobode vrijednost je jednaka R. Ovo pravilo se također naziva pravo izjednačenja.

U ovom slučaju, čestica jednoatomnog plina razlikuje se za samo tri translacijska stupnja slobode, pa bi stoga njezin toplinski kapacitet trebao biti jednak 3R/2, što se izvrsno slaže s eksperimentom. Svaka molekula dvoatomskog plina ima tri translacijska, dva rotirajuća i jedan vibracijski stupnja slobode, što znači da će zakon ekvipartacije biti 7R/2, a iskustvo je pokazalo da je toplinski kapacitet mola dvoatomskog plina pri običnoj temperaturi 5R/ 2. Zašto je došlo do takvog odstupanja u teoriji? To je zbog činjenice da će prilikom utvrđivanja toplinskog kapaciteta biti potrebno uzeti u obzir različite kvantni efekti drugim riječima, koristiti kvantnu statistiku. Kao što vidite, toplinski kapacitet je prilično kompliciran koncept.

Kvantna mehanika kaže da svaki sustav čestica koje osciliraju ili rotiraju, uključujući molekulu plina, može imati određene diskretne energetske vrijednosti. Ako energija toplinskog gibanja u instalirani sustav nije dovoljan za pobuđivanje oscilacija tražene frekvencije, tada te oscilacije ne doprinose toplinskom kapacitetu sustava.

NA čvrste tvari Oh toplinsko kretanje atoma je slaba fluktuacija u blizini određenih ravnotežnih položaja, to se odnosi na čvorove kristalne rešetke. Atom ima tri vibracijska stupnja slobode i, prema zakonu, molarni toplinski kapacitet čvrstog tijela jednak je 3nR, gdje je n broj atoma prisutnih u molekuli. U praksi je ta vrijednost granica kojoj teži toplinski kapacitet tijela pri visokim temperaturama. Vrijednost se postiže normalnim promjenama temperature u mnogim elementima, to se odnosi na metale, kao i jednostavne spojeve. Također se utvrđuje toplinski kapacitet olova i drugih tvari.

Što se može reći o niskim temperaturama?

Već znamo što je toplinski kapacitet, ali ako govorimo o niske temperature, kako će se onda vrijednost izračunati? Ako govorimo o pokazateljima niske temperature, tada se toplinski kapacitet čvrstog tijela ispostavlja proporcionalnim T 3 ili takozvani Debyeov zakon toplinskog kapaciteta. Glavni kriterij razlikovanja visoke performanse temperature od niskih, je obična usporedba njih s parametrom karakterističnim za određenu tvar - to može biti karakteristika ili Debyeova temperatura q D . Prikazana vrijednost određena je spektrom vibracija atoma u proizvodu i značajno ovisi o kristalnoj strukturi.

U metalima, vodljivi elektroni daju određeni doprinos toplinskom kapacitetu. Ovaj dio toplinskog kapaciteta izračunava se pomoću Fermi-Diracove statistike, koja uzima u obzir elektrone. Elektronski toplinski kapacitet metala, koji je proporcionalan uobičajenom toplinskom kapacitetu, relativno je mala vrijednost i doprinosi toplinskom kapacitetu metala samo pri temperaturama blizu apsolutne nule. Tada toplinski kapacitet rešetke postaje vrlo mali i može se zanemariti.

Maseni toplinski kapacitet

Maseni specifični toplinski kapacitet je količina topline koja je potrebna da se dovede do jedinice mase tvari da bi se proizvod zagrijao po jediničnoj temperaturi. Ova vrijednost je označena slovom C i mjeri se u džulima podijeljena s kilogramom po kelvinu - J / (kg K). To je sve što se tiče toplinskog kapaciteta mase.

Što je volumetrijski toplinski kapacitet?

Volumetrijski toplinski kapacitet je određena količina topline koju je potrebno dovesti do jediničnog volumena proizvodnje kako bi se zagrijala po jediničnoj temperaturi. Mjeri se u džulima podijeljeno sa metar kubni po kelvinu ili J / (m³ K). U mnogim građevinskim referentnim knjigama uzima se u obzir maseni specifični toplinski kapacitet u radu.

Praktična primjena toplinskog kapaciteta u građevinarstvu

Mnogi toplinski intenzivni materijali aktivno se koriste u izgradnji zidova otpornih na toplinu. To je iznimno važno za kuće koje karakterizira periodično grijanje. Na primjer, pećnica. Toplinski intenzivni proizvodi i zidovi izgrađeni od njih savršeno akumuliraju toplinu, pohranjuju je tijekom razdoblja grijanja i postupno otpuštaju toplinu nakon što se sustav isključi, omogućujući vam da održavate prihvatljivu temperaturu tijekom cijelog dana.

Dakle, što se više topline pohranjuje u strukturi, to će temperatura u sobama biti ugodnija i stabilnija.

Treba napomenuti da obična cigla i beton koji se koriste u stambenoj izgradnji imaju znatno niži toplinski kapacitet od ekspandiranog polistirena. Ako uzmemo ecowool, onda je trostruko topliji od betona. Valja napomenuti da u formuli za izračun toplinskog kapaciteta nije uzalud masa. Zbog velike ogromne mase betona ili cigle, u usporedbi s ecowoonom, omogućuje akumulaciju ogromnih količina topline u kamenim zidovima građevina i izglađivanje svih dnevnih temperaturnih kolebanja. Samo mala masa izolacije u svemu okvirne kuće, unatoč dobrom toplinskom kapacitetu, najslabija je zona za sve tehnologije okvira. Riješiti ovaj problem, u svim kućama ugrađeni su impresivni akumulatori topline. Što je? To su strukturni dijelovi koji se odlikuju velikom masom s prilično dobrim indeksom toplinskog kapaciteta.

Primjeri akumulatora topline u životu

Što bi to moglo biti? Na primjer, neki interni zidovi od opeke, velika peć ili kamin, betonske estrihe.

Namještaj u svakoj kući ili stanu izvrstan je akumulator topline, jer šperploča, iverica i drvo zapravo mogu pohraniti toplinu samo po kilogramu težine tri puta više od zloglasne cigle.

Postoje li nedostaci termalnog skladištenja? Naravno, glavni nedostatak ovog pristupa je da akumulator topline treba projektirati u fazi izrade rasporeda. drvena kuća. Sve zbog činjenice da je vrlo težak, a to će se morati uzeti u obzir pri stvaranju temelja, a zatim zamisliti kako će se ovaj objekt integrirati u interijer. Vrijedno je reći da je potrebno uzeti u obzir ne samo masu, već će biti potrebno procijeniti obje karakteristike u radu: masu i toplinski kapacitet. Primjerice, koristite li zlato nevjerojatne težine od dvadeset tona po kubičnom metru kao skladište topline, tada će proizvod funkcionirati kako bi trebao samo dvadeset i tri posto bolje od betonske kocke koja teži dvije i pol tone.

Koja je tvar najprikladnija za skladištenje topline?

najbolji proizvod jer akumulator topline uopće nije beton i cigla! Bakar, bronca i željezo to dobro rade, ali su vrlo teški. Čudno, ali najbolji akumulator topline je voda! Tekućina ima impresivan toplinski kapacitet, najveći među nama dostupnim tvarima. Veći toplinski kapacitet imaju samo plinovi helij (5190 J / (kg K) i vodik (14300 J / (kg K)), ali ih je problematično primijeniti u praksi. Ako želite i trebate, pogledajte tablicu toplinskog kapaciteta tvari trebaš.

Uvedimo sada vrlo važnu termodinamičku karakteristiku tzv toplinski kapacitet sustava(tradicionalno se označava slovom S s različitim indeksima).

Toplinski kapacitet - vrijednost aditiv, ovisi o količini tvari u sustavu. Stoga i uvodimo određena toplina

Određena toplina je toplinski kapacitet po jedinici mase tvari

i molarni toplinski kapacitet

Molarni toplinski kapacitet je toplinski kapacitet jednog mola tvari

Budući da količina topline nije funkcija stanja i ovisi o procesu, toplinski kapacitet ovisit će i o načinu na koji se toplina dovodi u sustav. Da bismo to razumjeli, prisjetimo se prvog zakona termodinamike. Dijeljenje jednakosti ( 2.4) po elementarnom prirastu apsolutne temperature dT, dobivamo omjer

Drugi pojam, kao što smo vidjeli, ovisi o vrsti procesa. Napominjemo da se u općem slučaju neidealnog sustava interakcija čijih čestica (molekula, atoma, iona itd.) ne može zanemariti (vidi, na primjer, § 2.5 u nastavku, u kojem se razmatra van der Waalsov plin) , unutarnja energija ovisi ne samo o temperaturi, već i o volumenu sustava. To se objašnjava činjenicom da energija interakcije ovisi o udaljenosti između čestica koje djeluju. Kada se volumen sustava mijenja, koncentracija čestica se mijenja, odnosno mijenja se prosječna udaljenost između njih i, kao rezultat, mijenja se energija interakcije i cjelokupna unutarnja energija sustava. Drugim riječima, u općem slučaju neidealnog sustava

Stoga se u općem slučaju prvi član ne može zapisati kao ukupna derivacija, ukupna derivacija se mora zamijeniti parcijalnim izvodom s dodatnom naznakom konstantne vrijednosti po kojoj se izračunava. Na primjer, za izohorni proces:

Ili za izobarni proces

Djelomična derivacija uključena u ovaj izraz izračunava se pomoću jednadžbe stanja sustava, zapisane kao . Na primjer, u posebnom slučaju idealnog plina

ova izvedenica je

Razmotrit ćemo dva posebna slučaja koji odgovaraju procesu opskrbe toplinom:

konstantan volumen;
konstantan pritisak u sustavu.

U prvom slučaju radi dA = 0 i dobivamo toplinski kapacitet C V idealan plin pri konstantnom volumenu:

Uzimajući u obzir gornju rezervu, za neidealni sustav relacija (2.19) mora biti napisana u sljedećem obliku opći pogled

Zamjena u 2.7 na , i na , odmah dobivamo:

Za izračunavanje toplinskog kapaciteta idealnog plina Uz str pri konstantnom pritisku ( dp=0) uzimamo u obzir da iz jednadžbe ( 2.8) slijedi izraz za elementarni rad s beskonačno malom promjenom temperature

Dobijamo na kraju

Podijeleći ovu jednadžbu s brojem molova tvari u sustavu, dobivamo sličan odnos za molarne toplinske kapacitete pri konstantnom volumenu i tlaku, tzv. Mayerov omjer

Za referencu opća formula- za proizvoljni sustav - povezivanje izohornih i izobarnih toplinskih kapaciteta:

Izrazi (2.20) i (2.21) dobivaju se iz ove formule tako da se u nju zamijeni izraz za unutarnja energija idealan plin i koristeći njegovu jednadžbu stanja (vidi gore):

Toplinski kapacitet zadane mase tvari pri konstantnom tlaku veći je od toplinskog kapaciteta pri konstantnom volumenu, budući da se dio ulazne energije troši na rad i za isto zagrijavanje je potrebno više topline. Napomenimo da iz (2.21) slijedi fizičko značenje plinska konstanta:

Dakle, ispostavlja se da toplinski kapacitet ovisi ne samo o vrsti tvari, već io uvjetima pod kojima se događa proces promjene temperature.

Kao što vidimo, izohorni i izobarični toplinski kapaciteti idealnog plina ne ovise o temperaturi plina; za stvarne tvari ti toplinski kapaciteti ovise, općenito govoreći, i o samoj temperaturi. T.

Izohorni i izobarični toplinski kapaciteti idealnog plina također se mogu dobiti izravno iz opće definicije, koristeći gore dobivene formule ( 2.7) i (2.10 ) za količinu topline dobivene idealnim plinom u tim procesima.

Za izohorni proces, izraz za C V slijedi iz ( 2.7):

Za izobarni proces, izraz za C str slijedi iz (2.10):

Za molarni toplinski kapaciteti stoga se dobivaju sljedeći izrazi

Omjer toplinskih kapaciteta jednak je adijabatskom indeksu:

Na termodinamičkoj razini nemoguće je predvidjeti brojčanu vrijednost g; uspjeli smo to učiniti samo uz razmatranje mikroskopskih svojstava sustava (vidi izraz (1.19 ), kao i ( 1.28) za mješavinu plinova). Iz formula (1.19) i (2.24) slijede teorijska predviđanja za molarne toplinske kapacitete plinova i adijabatski eksponent.

Monatomski plinovi (i = 3):

Dvoatomski plinovi (i = 5):

Poliatomski plinovi (i = 6):

Eksperimentalni podaci za razne tvari prikazani su u tabeli 1.

stol 1

tvar			g

To je jasno jednostavan model idealni plinovi općenito prilično dobro opisuje svojstva stvarnih plinova. Imajte na umu da je slaganje postignuto bez uzimanja u obzir vibracijskih stupnjeva slobode molekula plina.

Također smo dali vrijednosti molarnog toplinskog kapaciteta nekih metala pri sobna temperatura. Ako zamislite kristalna rešetka metala kao uređenog skupa čvrstih kuglica povezanih oprugama sa susjednim kuglicama, tada svaka čestica može oscilirati samo u tri smjera ( brojim = 3), a svaki takav stupanj slobode povezan je s kinetikom k V T/2 a ista potencijalna energija. Stoga kristalna čestica ima unutarnju (oscilatornu) energiju k V T. Množenjem s Avogadrovim brojem, dobivamo unutarnju energiju jednog mola

odakle dolazi vrijednost molarnog toplinskog kapaciteta

(Zbog malog koeficijenta toplinskog širenja čvrstih tijela, ne razlikuju se sa str i cv). Gornja relacija za molarni toplinski kapacitet krutih tvari naziva se zakon Dulonga i Petita, a tablica pokazuje dobro podudaranje izračunate vrijednosti

s eksperimentom.

Govoreći o dobrom slaganju gornjih omjera i eksperimentalnih podataka, treba napomenuti da se ono opaža samo u određenom temperaturnom rasponu. Drugim riječima, toplinski kapacitet sustava ovisi o temperaturi, a formule (2.24) imaju ograničen opseg. Razmotrite prvo Sl. 2.10, koji pokazuje eksperimentalnu ovisnost toplinskog kapaciteta s TV-om plinoviti vodik od apsolutne temperature T.

Riža. 2.10. Molarni toplinski kapacitet plinovitog vodika N2 pri konstantnom volumenu u funkciji temperature (eksperimentalni podaci)

U nastavku, radi kratkoće, govorimo o nepostojanju određenih stupnjeva slobode u molekulama u određenim temperaturnim rasponima. Još jednom, podsjećamo, zapravo govorimo o sljedećem. Iz kvantnih razloga, relativni doprinos unutarnjoj energiji plina određene vrste gibanje doista ovisi o temperaturi i u određenim temperaturnim intervalima može biti toliko malo da je u eksperimentu - uvijek izvedenom s konačnom točnošću - nevidljivo. Rezultat eksperimenta izgleda kao da ove vrste gibanja ne postoje i da ne postoje odgovarajući stupnjevi slobode. Broj i priroda stupnjeva slobode određeni su strukturom molekule i trodimenzionalnošću našeg prostora – ne mogu ovisiti o temperaturi.

Doprinos unutarnjoj energiji ovisi o temperaturi i može biti mali.

Na temperaturama ispod 100 K toplinski kapacitet

što ukazuje na odsutnost i rotacijskih i vibracijskih stupnjeva slobode u molekuli. Nadalje, s povećanjem temperature, toplinski kapacitet brzo raste na klasičnu vrijednost

karakterističan za dvoatomska molekula s krutom vezom, u kojoj nema vibracijskih stupnjeva slobode. Na temperaturama iznad 2000 K toplinski kapacitet otkriva novi skok na vrijednost

Ovaj rezultat također ukazuje na pojavu vibracijskih stupnjeva slobode. Ali sve to i dalje izgleda neobjašnjivo. Zašto se molekula ne može rotirati na niskim temperaturama? I zašto se vibracije u molekuli javljaju samo pri vrlo visokim temperaturama? U prethodnom poglavlju dana je kratka kvalitativna rasprava o kvantnim razlozima ovakvog ponašanja. A sada možemo samo ponoviti da se cijela stvar svodi na specifično kvantne fenomene koji se ne mogu objasniti sa stajališta klasične fizike. Ovi fenomeni su detaljno obrađeni u sljedećim odjeljcima tečaja.

dodatne informacije

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Priručnik za fiziku, znanost, 1977. - str. 236 - tablica karakterističnih temperatura "uključenja" vibracijskih i rotacijskih stupnjeva slobode molekula za neke specifične plinove;

Okrenimo se sada sl. 2.11, koji predstavlja ovisnost molarnih toplinskih kapaciteta od tri kemijski elementi(kristali) na temperaturi. Pri visokim temperaturama sve tri krivulje teže istoj vrijednosti

što odgovara zakonu Dulong i Petit. Olovo (Pb) i željezo (Fe) praktički imaju ovaj limitirajući toplinski kapacitet već na sobnoj temperaturi.

Riža. 2.11. Ovisnost molarnog toplinskog kapaciteta za tri kemijska elementa - kristale olova, željeza i ugljika (dijamant) - o temperaturi

Za dijamant (C) ova temperatura još nije dovoljno visoka. A pri niskim temperaturama sve tri krivulje pokazuju značajno odstupanje od Dulongovog i Petitovog zakona. Ovo je još jedna manifestacija kvantnih svojstava materije. Pokazalo se da je klasična fizika nemoćna objasniti mnoge pravilnosti uočene pri niskim temperaturama.

dodatne informacije

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Uvod u molekularnu fiziku i termodinamiku, Ed. IL, 1962 - str. 106–107, dio I, § 12 - doprinos elektrona toplinskom kapacitetu metala pri temperaturama blizu apsolutne nule;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Znate li fiziku? Biblioteka "Kvant", broj 82, Znanost, 1992. Stranica 132, pitanje 137: koja tijela imaju najveći toplinski kapacitet (vidi odgovor na str. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Znate li fiziku? Biblioteka "Kvant", broj 82, Znanost, 1992. Stranica 132, pitanje 135: o zagrijavanju vode u tri stanja - krutom, tekućem i parnom (vidi odgovor na str. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - fizička enciklopedija. Kalorimetrija. Opisane su metode mjerenja toplinskih kapaciteta.

U današnjoj lekciji uvest ćemo takav fizički pojam kao specifični toplinski kapacitet tvari. Znamo da ovisi o kemijska svojstva tvari, a njegova je vrijednost, koja se može naći u tablicama, različita za različite tvari. Zatim ćemo saznati mjerne jedinice i formulu za pronalaženje specifičnog toplinskog kapaciteta, a također ćemo naučiti kako analizirati toplinska svojstva tvari prema vrijednosti njihovog specifičnog toplinskog kapaciteta.

Kalorimetar(od lat. kalorija- toplo i metor- mjera) - uređaj za mjerenje količine topline koja se oslobađa ili apsorbira u bilo kojem fizičkom, kemijskom ili biološkom procesu. Termin "kalorimetar" predložili su A. Lavoisier i P. Laplace.

Kalorimetar se sastoji od poklopca, unutarnjeg i vanjskog stakla. Pri izradi kalorimetra vrlo je važno da između manjih i većih posuda postoji sloj zraka koji zbog niske toplinske vodljivosti omogućuje slab prijenos topline između sadržaja i vanjske okoline. Ovaj dizajn omogućuje da se kalorimetar smatra nekom vrstom termosa i praktički se riješi učinaka vanjsko okruženje o tijeku procesa prijenosa topline unutar kalorimetra.

Kalorimetar je namijenjen za točnije mjerenje specifičnih toplinskih kapaciteta i drugih toplinskih parametara tijela od navedenih u tablici.

Komentar. Važno je napomenuti da takav pojam kao što je količina topline, koji vrlo često koristimo, ne treba brkati s unutarnjom energijom tijela. Količina topline određuje upravo promjenu unutarnje energije, a ne njezinu specifičnu vrijednost.

Imajte na umu da je specifični toplinski kapacitet različitih tvari različit, što se može vidjeti iz tablice (slika 3.). Na primjer, zlato ima specifičan toplinski kapacitet. Kao što smo već ranije istaknuli, fizičko značenje ovog specifičnog toplinskog kapaciteta znači da za zagrijavanje 1 kg zlata za 1 °C potrebno mu je opskrbiti 130 J topline (slika 5.).

Riža. 5. Specifični toplinski kapacitet zlata

U sljedećoj lekciji raspravljat ćemo o tome kako izračunati količinu topline.

Popisknjiževnost

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Drfa, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Prosvjeta.