Egy anyag fajlagos hőkapacitása az. Fajlagos hőkapacitás: definíció, értékek, példák

A víz az egyik legcsodálatosabb anyag. Ellenére széleskörű felhasználásés mindenütt használatos, ez a természet igazi rejtélye. Mivel az egyik oxigénvegyület, úgy tűnik, hogy a víznek nagyon alacsony jellemzőkkel kell rendelkeznie, mint például fagyás, párolgási hő stb. De ez nem történik meg. A víz hőkapacitása önmagában mindennek ellenére rendkívül magas.

A víz hatalmas mennyiségű hőt képes felvenni, miközben gyakorlatilag nem melegszik fel - ez a fizikai jellemzője. a víz körülbelül ötször nagyobb, mint a homok hőkapacitása, és tízszer nagyobb, mint a vas. Ezért a víz természetes hűtőfolyadék. Felhalmozódási képessége nagyszámú Az energia lehetővé teszi a hőmérséklet-ingadozások kiegyenlítését a Föld felszínén, és szabályozza a hőmérsékleti rendszert az egész bolygón, és ez az évszaktól függetlenül megtörténik.

Ez egyedi ingatlan A víz lehetővé teszi hűtőközegként való felhasználását az iparban és a mindennapi életben. Ráadásul a víz széles körben elérhető és viszonylag olcsó nyersanyag.

Mit értünk hőkapacitás alatt? A termodinamika során ismeretes, hogy a hőátadás mindig meleg testről hidegre történik. Ahol beszélgetünk egy bizonyos mennyiségű hő átmenetéről szól, és mindkét test hőmérséklete állapotának jellemzője lévén ennek a kicserélődésnek az iránya. Azonos kezdeti hőmérsékletű, azonos tömegű vizet tartalmazó fémtestnél a fém a hőmérsékletét többszörösen megváltoztatja, mint a víz.

Ha posztulátumnak vesszük a termodinamika fő megállapítását - két testből (másoktól elkülönítve), a hőcsere során az egyik ad le, a másik pedig azonos mennyiségű hőt kap, akkor világossá válik, hogy a fém és a víz hője teljesen eltérő. kapacitások.

Így a víz (valamint bármely anyag) hőkapacitása egy olyan mutató, amely egy adott anyag azon képességét jellemzi, hogy hűtés (fűtés) során egységnyi hőmérsékleten hányat ad (vagy fogad el).

Egy anyag fajlagos hőkapacitása az a hőmennyiség, amely egy egységnyi anyag (1 kilogramm) 1 fokkal történő felmelegítéséhez szükséges.

A test által kibocsátott vagy elnyelt hő mennyisége megegyezik a fajlagos hőkapacitás, a tömeg és a hőmérséklet-különbség szorzatával. Kalóriában mérik. Egy kalória pontosan annyi hőmennyiség, amely 1 g víz 1 fokkal való felmelegítésére elegendő. Összehasonlításképpen: a levegő fajlagos hőkapacitása 0,24 cal/g ∙°C, az alumíniumé 0,22, a vasé 0,11, a higanyé 0,03.

A víz hőkapacitása nem állandó. A hőmérséklet 0-ról 40 fokra való emelésével kissé csökken (1,0074-ről 0,9980-ra), míg az összes többi anyag esetében ez a jellemző melegítés közben nő. Ráadásul a nyomás növekedésével (mélységben) csökkenhet.

Mint tudják, a víznek három halmazállapota van - folyékony, szilárd (jég) és gáznemű (gőz). Ugyanakkor a jég fajlagos hőkapacitása körülbelül 2-szer kisebb, mint a vízé. Ez a fő különbség a víz és más anyagok között, amelyek fajlagos hőkapacitása szilárd és olvadt állapotban nem változik. mi itt a titok?

Az a tény, hogy a jég kristályos szerkezetű, amely melegítéskor nem esik azonnal össze. A víz apró jégrészecskéket tartalmaz, amelyek több molekulából állnak, és társultnak nevezik. A víz felmelegítése során egy részét ezekben a képződményekben lévő hidrogénkötések megsemmisítésére fordítják. Ez magyarázza a víz szokatlanul nagy hőkapacitását. A molekulái közötti kötések csak akkor semmisülnek meg teljesen, amikor a víz gőzzé válik.

A fajlagos hőkapacitás 100°C-on szinte nem tér el a 0°C-os jégétől, ami ismét megerősíti ennek a magyarázatnak a helyességét. A gőz hőkapacitása, akárcsak a jég hőkapacitása, ma már sokkal jobban érthető, mint a vízé, amiben a tudósok még nem jutottak konszenzusra.

Minden iskolás találkozik a fizikaórákon a „fajlagos hőkapacitás” fogalommal. A legtöbb esetben az emberek elfelejtik az iskola meghatározását, és gyakran egyáltalán nem értik ennek a kifejezésnek a jelentését. A műszaki egyetemeken a legtöbb hallgató előbb-utóbb találkozik fajlagos hő. Talán a fizika tanulmányozásának részeként, vagy valakinek lesz olyan tudományága, mint a "hőmérnöki" vagy a "műszaki termodinamika". Ebben az esetben emlékezni kell iskolai tananyag. Tehát az alábbiakban néhány anyag definíciója, példák és jelentése található.

Meghatározás

A fajlagos hőkapacitás olyan fizikai mennyiség, amely azt jellemzi, hogy mennyi hőt kell egy anyagegységhez eljuttatni, vagy mennyi hőt kell elvenni egy anyagegységből ahhoz, hogy a hőmérséklete egy fokkal megváltozzon. Fontos törölni, hogy nem számít, Celsius fok, Kelvin és Fahrenheit, a lényeg az egységenkénti hőmérséklet változás.

A fajlagos hőteljesítménynek saját mértékegysége van - in nemzetközi rendszer egység (SI) - Joule osztva egy kilogramm és egy Kelvin-fok szorzatával, J / (kg K); a rendszeren kívüli mértékegység egy kalória és egy kilogramm és egy Celsius-fok szorzata, cal/(kg °C). Ezt az értéket leggyakrabban c vagy C betűvel jelölik, néha indexeket használnak. Például, ha a nyomás állandó, akkor az index p, és ha a térfogat állandó, akkor v.

Definíció variációk

A tárgyalt definíció több megfogalmazása fizikai mennyiség. A fentieken túlmenően elfogadhatónak tekinthető egy olyan definíció, amely szerint a fajlagos hőkapacitás egy anyag hőkapacitási értékének tömegéhez viszonyított aránya. Ebben az esetben világosan meg kell érteni, mi a "hőkapacitás". Tehát a hőkapacitást olyan fizikai mennyiségnek nevezzük, amely megmutatja, hogy mennyi hőt kell a testhez (anyaghoz) vinni vagy eltávolítani ahhoz, hogy a hőmérséklete eggyel megváltozzon. Egy kilogrammnál nagyobb tömegű anyag fajlagos hőkapacitását ugyanúgy határozzuk meg, mint egyetlen érték esetén.

Néhány példa és jelentése különféle anyagokra

Kísérletileg megállapították, hogy a különböző anyagok ez a jelentés más. Például a víz fajlagos hőkapacitása 4,187 kJ/(kg K). A legtöbb nagyon fontos ebből a fizikai mennyiségből hidrogénnél 14.300 kJ/(kg K), aranynál a legkisebb 0.129 kJ/(kg K). Ha értékre van szüksége egy adott anyaghoz, akkor elő kell vennie egy referenciakönyvet, és meg kell találnia a megfelelő táblázatokat, és bennük - az Önt érdeklő értékeket. azonban modern technológiák lehetővé teszi, hogy időnként felgyorsítsa a keresési folyamatot - elég minden olyan telefonon, amelyen van lehetőség belépni a világhálóra, beírni a keresősávba az érdeklő kérdést, elindítani a keresést és az eredmények alapján keresni a választ . A legtöbb esetben az első hivatkozásra kell kattintania. Néha azonban egyáltalán nem kell máshová mennie – be Rövid leírás információ mutatja a választ a kérdésre.

A leggyakoribb anyagok, amelyekhez hőkapacitást keresnek, beleértve a fajhőt is, a következők:

• levegő (száraz) - 1,005 kJ / (kg K),
• alumínium - 0,930 kJ / (kg K),
• réz - 0,385 kJ / (kg K),
• etanol - 2,460 kJ / (kg K),
• vas - 0,444 kJ / (kg K),
• higany - 0,139 kJ / (kg K),
• oxigén - 0,920 kJ / (kg K),
• fa - 1700 kJ/(kg K),
• homok - 0,835 kJ/(kg K).

A hőkapacitás az a képesség, hogy melegítés közben bizonyos mennyiségű hőt elnyel, vagy lehűtve leadja. Egy test hőkapacitása a test által kapott végtelenül kicsi hőmennyiség és a hőmérsékleti mutatóinak megfelelő növekedésének aránya. Az értéket J/K-ban mérjük. A gyakorlatban kissé eltérő értéket használnak - fajlagos hőkapacitást.

Meghatározás

Mit jelent a fajlagos hőkapacitás? Ez egy anyag egyetlen mennyiségéhez kapcsolódó mennyiség. Ennek megfelelően egy anyag mennyisége mérhető köbméterben, kilogrammban, de akár mólban is. Mitől függ? A fizikában a hőkapacitás közvetlenül attól függ, hogy melyik mennyiségi egységre vonatkozik, ami azt jelenti, hogy megkülönböztetnek moláris, tömeges és térfogati hőkapacitást. Az építőiparban nem moláris mérésekkel találkozik, hanem másokkal - mindig.

Mi befolyásolja a fajlagos hőkapacitást?

Tudja, hogy mi a hőkapacitás, de még nem világos, hogy milyen értékek befolyásolják a mutatót. A fajhő értékét közvetlenül több összetevő befolyásolja: az anyag hőmérséklete, nyomása és egyéb termodinamikai jellemzők.

A termék hőmérsékletének emelkedésével a fajlagos hőkapacitása növekszik, azonban bizonyos anyagok ebben a függésben teljesen nemlineáris görbén különböznek egymástól. Például, ha a hőmérsékleti mutatók nulláról harminchét fokra emelkednek, a víz fajlagos hőkapacitása csökkenni kezd, és ha a határ harminchét és száz fok között van, akkor a mutató éppen ellenkezőleg. növekedés.

Érdemes megjegyezni, hogy a paraméter attól is függ, hogy a termék termodinamikai jellemzői (nyomás, térfogat stb.) hogyan változhatnak. Például a fajhő stabil nyomáson és stabil térfogaton eltérő lesz.

Hogyan kell kiszámítani a paramétert?

Érdekel, hogy mekkora a hőkapacitás? A számítási képlet a következő: C \u003d Q / (m ΔT). Mik ezek az értékek? Q az a hőmennyiség, amelyet a termék felmelegítéskor kap (vagy hűtés közben bocsát ki a termékből). m a termék tömege, ΔT pedig a termék végső és kezdeti hőmérséklete közötti különbség. Az alábbiakban néhány anyag hőkapacitásának táblázata látható.

Mit mondhatunk a hőkapacitás számításáról?

A hőkapacitás kiszámítása nem egyszerű feladat, főleg, ha csak termodinamikai módszereket alkalmazunk, nem lehet pontosabban elvégezni. Ezért a fizikusok a statisztikai fizika módszereit vagy a termékek mikroszerkezetének ismeretét használják. Hogyan kell számolni a gázt? A gáz hőkapacitását az anyagban lévő egyes molekulák átlagos hőmozgási energiájának kiszámításából számítják ki. A molekulák mozgása lehet transzlációs és forgó jellegű, a molekulán belül pedig lehet egy egész atom vagy atomok rezgése. A klasszikus statisztika azt mondja, hogy a forgási és transzlációs mozgások minden szabadságfokára van egy moláris érték, amely egyenlő R / 2-vel, és minden rezgési szabadságfokra egyenlő R-vel. Ezt a szabályt más néven: egyenlőségi törvény.

Ebben az esetben egy monoatomos gáz részecskéje mindössze három transzlációs szabadságfokkal különbözik, ezért hőkapacitása 3R/2 legyen, ami kiváló összhangban van a kísérlettel. Minden kétatomos gázmolekulának három transzlációs, két forgási és egy rezgési szabadsági foka van, ami azt jelenti, hogy az ekvipartíciós törvény 7R/2 lesz, és a tapasztalatok szerint egy mol kétatomos gáz hőkapacitása normál hőmérsékleten 5R/ 2. Miért volt ekkora eltérés az elméletben? Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a hőkapacitás megállapításakor figyelembe kell venni a különböző kvantumhatások más szóval, használjunk kvantumstatisztikát. Mint látható, a hőkapacitás meglehetősen bonyolult fogalom.

A kvantummechanika azt mondja, hogy minden rezgő vagy forgó részecskerendszer, beleértve a gázmolekulát is, rendelkezhet bizonyos diszkrét energiaértékekkel. Ha a hőmozgás energiája be telepített rendszer nem elegendő a szükséges frekvenciájú rezgések gerjesztésére, akkor ezek az oszcillációk nem járulnak hozzá a rendszer hőkapacitásához.

NÁL NÉL szilárd anyagokÓ hőmozgás Az atomok egy gyenge ingadozása bizonyos egyensúlyi helyzetek közelében, ez vonatkozik a kristályrács csomópontjaira. Egy atomnak három rezgési szabadságfoka van, és a törvény szerint a szilárd test moláris hőkapacitása egyenlő 3nR, ahol n a molekulában lévő atomok száma. A gyakorlatban ez az érték az a határ, amelyre a test hőkapacitása magas hőmérsékleten hajlik. Az értéket számos elem normál hőmérséklet-változásaival érik el, ez vonatkozik a fémekre, valamint az egyszerű vegyületekre. Az ólom és más anyagok hőkapacitását is meghatározzák.

Mit mondhatunk az alacsony hőmérsékletről?

Azt már tudjuk, mi a hőkapacitás, de ha már beszélünk alacsony hőmérsékletek, akkor hogyan lesz kiszámolva az érték? Ha alacsony hőmérsékleti mutatókról beszélünk, akkor a szilárd test hőkapacitása arányosnak bizonyul T 3 vagy a hőkapacitás úgynevezett Debye-törvénye. A megkülönböztetés fő kritériuma nagy teljesítményű alacsony hőmérséklettől, is közönséges összehasonlítás egy adott anyagra jellemző paraméterrel - ez lehet a jellemző vagy a Debye-hőmérséklet q D . A bemutatott értéket a termékben lévő atomok rezgésspektruma határozza meg, és jelentősen függ a kristályszerkezettől.

A fémekben a vezetési elektronok bizonyos mértékben hozzájárulnak a hőkapacitáshoz. A hőkapacitás ezen részét a Fermi-Dirac statisztikával számítják ki, amely figyelembe veszi az elektronokat. Egy fém elektronikus hőkapacitása, amely arányos a szokásos hőkapacitással, viszonylag kis érték, és csak abszolút nullához közeli hőmérsékleten járul hozzá a fém hőkapacitásához. Ekkor a rács hőkapacitása nagyon kicsi lesz és elhanyagolható.

Tömeg hőkapacitás

A tömegfajlagos hőkapacitás az a hőmennyiség, amelyet az anyag egységnyi tömegére kell hozni ahhoz, hogy a termék egységhőmérsékleten felmelegedjen. Ezt az értéket C betűvel jelöljük, és joule-ban mérjük, osztva egy kilogrammal per kelvin - J / (kg K). Ez minden, ami a tömeg hőkapacitását érinti.

Mi a térfogati hőkapacitás?

A térfogati hőkapacitás egy bizonyos mennyiségű hő, amelyet egységnyi termelési térfogatra kell hozni ahhoz, hogy egységnyi hőmérsékletre felmelegítsük. Ezt joule-ban osztva mérjük köbméter per kelvin vagy J / (m³ K). Sok építési referenciakönyvben a munka tömegspecifikus hőkapacitását veszik figyelembe.

A hőkapacitás gyakorlati alkalmazása az építőiparban

Sok hőintenzív anyagot használnak aktívan a hőálló falak építésében. Ez rendkívül fontos azoknál a házaknál, amelyeket időszakos fűtés jellemez. Például sütő. A hőigényes termékek és a belőlük épített falak tökéletesen felhalmozzák a hőt, tárolják azt a fűtési időszakokban, és a rendszer kikapcsolása után fokozatosan adják le a hőt, így egész nap elfogadható hőmérsékletet tarthat fenn.

Tehát minél több hőt tárolnak a szerkezetben, annál kényelmesebb és stabilabb lesz a hőmérséklet a helyiségekben.

Meg kell jegyezni, hogy a lakásépítésben használt közönséges tégla és beton hőkapacitása lényegesen kisebb, mint a habosított polisztirolé. Ha az ökogyapotot vesszük, akkor az háromszor hőigényesebb, mint a beton. Meg kell jegyezni, hogy a hőkapacitás kiszámításának képletében nem hiába van tömeg. A nagy beton- vagy téglatömegnek köszönhetően az ökovatához képest hatalmas mennyiségű hő felhalmozódását teszi lehetővé az építmények kőfalaiban, és kisimítja a napi hőmérséklet-ingadozásokat. Mindössze egy kis szigetelési tömeg vázas házak, jó hőkapacitása ellenére a leggyengébb zóna mindenki számára váztechnológiák. Megoldani ez a probléma, minden házba lenyűgöző hőtárolók vannak beépítve. Ami? Ezek olyan szerkezeti részek, amelyeket nagy tömeg és meglehetősen jó hőkapacitás jellemez.

Példák a hőtárolókra az életben

Mi lehet az? Például néhány belső tégla falak, nagy tűzhely vagy kandalló, beton esztrichek.

A bútorok minden házban vagy lakásban kiváló hőtárolók, mert a rétegelt lemez, a forgácslap és a fa valójában csak súlykilogrammonként képes háromszor többet tárolni hőt, mint a hírhedt tégla.

Vannak-e hátrányai a termikus tárolásnak? Természetesen ennek a megközelítésnek a fő hátránya, hogy a hőtárolót az elrendezés elkészítésének szakaszában kell megtervezni. favázas épület. Mindez annak a ténynek köszönhető, hogy nagyon nehéz, és ezt figyelembe kell venni az alapítvány létrehozásakor, majd képzelje el, hogyan épül be ez az objektum a belső térbe. Érdemes azt mondani, hogy nemcsak a tömeget kell figyelembe venni, hanem a munka során mindkét jellemzőt értékelni kell: a tömeget és a hőkapacitást. Például, ha hihetetlen, húsz tonna/köbméter tömegű aranyat használunk hőtárolónak, akkor a termék csak huszonhárom százalékkal fog jobban működni, mint a két és fél tonnás betonkocka.

Melyik anyag a legalkalmasabb hőtárolásra?

legjobb termék mert a hőtároló egyáltalán nem beton és tégla! A réz, a bronz és a vas jó szolgálatot tesz erre, de nagyon nehezek. Furcsa módon, de a legjobb hőtároló a víz! A folyadék lenyűgöző hőkapacitású, a legnagyobb a rendelkezésünkre álló anyagok közül. Csak a hélium gázok (5190 J / (kg K) és a hidrogén (14300 J / (kg K))) nagyobb hőkapacitásúak, de ezek gyakorlati alkalmazása problémás. Ha szeretné és igényli, tekintse meg az anyagok hőkapacitási táblázatát szükséged van.

Most mutassunk be egy nagyon fontos termodinamikai jellemzőt, az ún hőkapacitás rendszerek(hagyományosan betűvel jelölik Val vel különböző indexekkel).

Hőkapacitás - érték adalékanyag, ez a rendszerben lévő anyag mennyiségétől függ. Ezért mi is bemutatjuk fajlagos hő

Fajlagos hő az anyag egységnyi tömegére eső hőkapacitása

és moláris hőkapacitás

Moláris hőkapacitás egy mól anyag hőkapacitása

Mivel a hőmennyiség nem állapotfüggvény, hanem a folyamattól függ, a hőkapacitás a rendszer hőellátásának módjától is függ. Ennek megértéséhez emlékezzünk vissza a termodinamika első főtételére. Az egyenlőség elosztása ( 2.4) az abszolút hőmérséklet elemi növekményénként dT, megkapjuk az arányt

A második kifejezés, mint láttuk, a folyamat típusától függ. Megjegyezzük, hogy egy nemideális rendszer általános esetben, amelynek részecskéinek (molekuláinak, atomjainak, ionjainak, stb.) kölcsönhatása nem elhanyagolható (lásd például lentebb a 2.5. §-t, amelyben a van der Waals gázt vesszük figyelembe). , a belső energia nemcsak a hőmérséklettől függ, hanem a rendszer térfogatától is. Ez azzal magyarázható, hogy a kölcsönhatási energia a kölcsönhatásban lévő részecskék közötti távolságtól függ. A rendszer térfogatának változásával a részecskék koncentrációja, illetve a köztük lévő átlagos távolság változik, és ennek eredményeként változik a kölcsönhatási energia és a rendszer teljes belső energiája. Más szóval, egy nem ideális rendszer általános esetben

Ezért általános esetben az első tagot nem írhatjuk fel teljes deriváltként, a teljes deriváltot egy parciális deriváltra kell cserélni, kiegészítve feltüntetve azt az állandó értéket, amelynél számítják. Például egy izokhorikus folyamathoz:

.

Vagy izobár folyamathoz

Az ebben a kifejezésben szereplő parciális derivált a rendszer állapotegyenletével számítjuk ki, amelyet a következőképpen írunk fel. Például egy ideális gáz adott esetben

ez a származék az

.

Két speciális esetet veszünk figyelembe a hőellátási folyamatnak megfelelően:

• állandó térfogat;
• állandó nyomás a rendszerben.

Az első esetben dolgozzon dА = 0és megkapjuk a hőkapacitást ÖNÉLETRAJZ ideális gáz állandó térfogaton:

Figyelembe véve a fenti fenntartást, egy nem ideális rendszerrelációhoz (2.19) a következő formában kell írni Általános nézet

Csere be 2.7-on és -on, azonnal megkapjuk:

.

Az ideális gáz hőkapacitásának kiszámításához pállandó nyomáson ( dp=0) figyelembe vesszük, hogy az egyenletből ( 2.8) követi a végtelenül kicsi hőmérséklet-változással járó elemi munka kifejezését

Beérünk a végén

Ha ezt az egyenletet elosztjuk a rendszerben lévő anyag móljainak számával, hasonló összefüggést kapunk az állandó térfogatú és nyomású moláris hőkapacitásokra, ún. Mayer-féle arány

Tájékoztatásul általános képlet- tetszőleges rendszerhez - izochor és izobár hőkapacitások összekapcsolása:

A (2.20) és (2.21) kifejezéseket ebből a képletből úgy kapjuk meg, hogy behelyettesítjük a belső energia ideális gáz és az állapotegyenletét használva (lásd fent):

.

Egy adott tömegű anyag hőkapacitása állandó nyomáson nagyobb, mint az állandó térfogatú hőkapacitás, mivel a bevitt energia egy része munkavégzésre megy el, és ugyanazon fűtéshez több hő szükséges. Figyeljük meg, hogy a (2.21)-ből az következik fizikai jelentése gázállandó:

Így a hőkapacitás nemcsak az anyag típusától függ, hanem attól is, hogy milyen körülmények között megy végbe a hőmérséklet-változás folyamata.

Amint látjuk, egy ideális gáz izochor és izobár hőkapacitása nem függ a gáz hőmérsékletétől, hanem a valós anyagoknál ezek a hőkapacitások általában magától a hőmérséklettől is függnek. T.

Egy ideális gáz izochor és izobár hőkapacitása közvetlenül is megkapható az általános definícióból, ha a fent kapott képleteket használjuk ( 2.7) és (2.10 ) az ideális gáz által ezekben a folyamatokban nyert hőmennyiségre.

Izochor folyamat esetén a kifejezés ÖNÉLETRAJZ ebből következik ( 2.7):

Izobár folyamat esetén a kifejezés C p következik (2.10):

Mert moláris hőkapacitásokígy a következő kifejezéseket kapjuk

A hőkapacitások aránya megegyezik az adiabatikus indexszel:

Termodinamikai szinten lehetetlen megjósolni a számértéket g; ezt csak a rendszer mikroszkopikus tulajdonságait figyelembe véve sikerült megtennünk (lásd (1.19 ), valamint () 1.28) gázkeverék esetén). Az (1.19) és (2.24) képletekből elméleti előrejelzések következnek a gázok moláris hőkapacitásaira és az adiabatikus kitevőjére.

Monatomikus gázok (i = 3):

Kétatomos gázok (i = 5):

Többatomos gázok (i = 6):

Kísérleti adatok ehhez különféle anyagok az 1. táblázatban láthatók.

Asztal 1

Anyag			g

Ez egyértelmű egyszerű modell ideális gázokáltalában elég jól leírja a valódi gázok tulajdonságait. Megjegyezzük, hogy az egyetértést a gázmolekulák rezgési szabadsági fokának figyelembevétele nélkül értük el.

Megadtuk néhány fém moláris hőkapacitásának értékeit is szobahőmérséklet. Ha elképzelni kristályrács fémet tömör golyók rendezett halmazaként, amelyek rugók segítségével kapcsolódnak a szomszédos golyókhoz, akkor minden részecske csak három irányba oszcillálhat ( számolok = 3), és minden ilyen szabadságfok egy kinetikához kapcsolódik k V T/2és ugyanaz a potenciális energia. Ezért a kristályrészecske belső (oszcillációs) energiával rendelkezik k V T. Az Avogadro-számmal megszorozva egy mól belső energiáját kapjuk

honnan származik a moláris hőkapacitás értéke

(A szilárd anyagok kis hőtágulási együtthatója miatt nem tesznek különbséget pés önéletrajz). A szilárd anyagok moláris hőkapacitásának fenti összefüggését ún Dulong és Petit törvénye,és a táblázat jól illeszkedik a számított értékhez

kísérlettel.

A fenti arányok és a kísérleti adatok közötti jó egyezésről beszélve meg kell jegyezni, hogy ez csak egy bizonyos hőmérsékleti tartományban figyelhető meg. Más szóval, a rendszer hőkapacitása a hőmérséklettől függ, és a (2.24) képleteknek korlátozott a hatóköre. Tekintsük először Fig. 2.10, amely a hőkapacitás kísérleti függését mutatja TV-vel hidrogéngáz abszolút hőmérsékletről T.

Rizs. 2.10. Н2 gáznemű hidrogén moláris hőkapacitása állandó térfogat mellett a hőmérséklet függvényében (kísérleti adatok)

Az alábbiakban a rövidség kedvéért arról beszélünk, hogy bizonyos hőmérsékleti tartományokban a molekulák bizonyos szabadsági fokai hiányoznak. Még egyszer felidézzük, hogy valójában a következőkről beszélünk. Kvantumok miatt a gáz belső energiájához való relatív hozzájárulás bizonyos fajták A mozgás nagyon függ a hőmérséklettől, és bizonyos hőmérsékleti intervallumokban olyan kicsi lehet, hogy a kísérletben - mindig véges pontossággal - észrevehetetlen. A kísérlet eredménye úgy néz ki, mintha nem léteznének ilyen típusú mozgások, és nem léteznének megfelelő szabadsági fokok. A szabadsági fokok számát és jellegét a molekula szerkezete és terünk háromdimenzióssága határozza meg - nem függhetnek a hőmérséklettől.

A belső energiához való hozzájárulás a hőmérséklettől függ, és kicsi lehet.

alatti hőmérsékleten 100 K hőkapacitás

ami a forgási és rezgési szabadságfok hiányát jelzi a molekulában. Továbbá a hőmérséklet emelkedésével a hőkapacitás gyorsan a klasszikus értékre nő

jellemző kétatomos molekula merev kapcsolattal, amelyben nincsenek vibrációs szabadsági fokok. A feletti hőmérsékleten 2000 K a hőkapacitás új ugrást fedez fel az érték felé

Ez az eredmény a vibrációs szabadsági fokok megjelenését is jelzi. De mindez még mindig megmagyarázhatatlannak tűnik. Miért nem tud egy molekula alacsony hőmérsékleten forogni? És miért csak nagyon magas hőmérsékleten jelentkeznek rezgések egy molekulában? Az előző fejezetben egy rövid kvalitatív tárgyalást adtunk ennek a viselkedésnek a kvantum okairól. És most csak ismételni tudjuk, hogy az egész konkrétan olyan kvantumjelenségekre vezethető vissza, amelyeket a klasszikus fizika szempontjából nem lehet megmagyarázni. Ezeket a jelenségeket a kurzus következő részei részletesen tárgyalják.

további információ

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - 236. o. - táblázat a molekulák rezgési és forgási szabadsági fokainak jellemző "bekapcsolási" hőmérsékleteiről egyes specifikus gázok esetében;

Térjünk most át az ábrához. 2.11, amely három moláris hőkapacitások függését jelenti kémiai elemek(kristályok) a hőmérsékleten. Magas hőmérsékleten mindhárom görbe azonos értéket mutat

megfelel a Dulong és Petit törvénynek. Az ólom (Pb) és a vas (Fe) gyakorlatilag már szobahőmérsékleten rendelkezik ezzel a korlátozó hőkapacitással.

Rizs. 2.11. Három kémiai elem - ólom-, vas- és szénkristályok (gyémánt) - moláris hőkapacitásának függése a hőmérséklettől

A gyémánt (C) esetében ez a hőmérséklet még nem elég magas. Alacsony hőmérsékleten pedig mindhárom görbe jelentős eltérést mutat a Dulong és Petit törvénytől. Ez az anyag kvantumtulajdonságainak egy másik megnyilvánulása. A klasszikus fizika képtelen megmagyarázni számos alacsony hőmérsékleten megfigyelhető szabályszerűséget.

további információ

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Bevezetés a molekuláris fizikába és termodinamikába, szerk. IL, 1962 - 106–107. o., I. rész, 12. § - az elektronok hozzájárulása a fémek hőkapacitásához abszolút nullához közeli hőmérsékleten;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Tudod a fizikát? "Quantum" könyvtár, 82. szám, Tudomány, 1992. oldal 132. kérdés, 137. kérdés: mely testek hőkapacitása a legnagyobb (lásd a választ a 151. oldalon);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Tudod a fizikát? "Quantum" könyvtár, 82. szám, Tudomány, 1992. oldal 132. kérdés, 135. kérdés: a víz három halmazállapotú – szilárd, folyékony és gőz – melegítéséről (lásd a választ a 151. oldalon);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html – fizikai enciklopédia. Kalorimetria. Leírják a hőkapacitások mérési módszereit.

A mai órán egy olyan fizikai fogalmat mutatunk be, mint egy anyag fajlagos hőkapacitása. Tudjuk, hogy attól függ kémiai tulajdonságok anyagok, és értéke, amely a táblázatokban található, a különböző anyagoknál eltérő. Ezután megtudjuk a mértékegységeket és a fajlagos hőkapacitás meghatározásának képletét, valamint megtanuljuk, hogyan lehet elemezni az anyagok termikus tulajdonságait a fajlagos hőkapacitás értékével.

Hőmennyiségmérő(a lat. kalóriát- meleg és metor- mérés) - bármely fizikai, kémiai vagy biológiai folyamat során felszabaduló vagy elnyelt hőmennyiség mérésére szolgáló eszköz. A "kaloriméter" kifejezést A. Lavoisier és P. Laplace javasolta.

A kaloriméter burkolatból, belső és külső üvegből áll. A kaloriméter kialakításánál nagyon fontos, hogy a kisebb-nagyobb edények között légréteg legyen, ami az alacsony hővezető képesség miatt rossz hőátadást biztosít a tartalom és a külső környezet között. Ez a kialakítás lehetővé teszi, hogy a kalorimétert egyfajta termosznak tekintsük, és gyakorlatilag megszabaduljunk a hatásoktól külső környezet a kaloriméteren belüli hőátadási folyamatok lefolyásáról.

A kaloriméter a testek fajlagos hőkapacitásának és egyéb termikus paramétereinek a táblázatban jelzettnél pontosabb mérésére szolgál.

Megjegyzés. Fontos megjegyezni, hogy egy olyan fogalmat, mint a hőmennyiség, amelyet nagyon gyakran használunk, nem szabad összetéveszteni a test belső energiájával. A hőmennyiség pontosan meghatározza a belső energia változását, nem pedig a fajlagos értéke.

Figyeljük meg, hogy a különböző anyagok fajlagos hőkapacitása eltérő, ami a táblázatból is látható (3. ábra). Például az aranynak fajlagos hőkapacitása van. Amint arra már korábban utaltunk, ennek a fajlagos hőkapacitásnak a fizikai jelentése azt jelenti, hogy 1 kg arany 1 °C-os felmelegítéséhez 130 J hővel kell ellátni (5. ábra).

Rizs. 5. Az arany fajlagos hőkapacitása

A következő leckében megvitatjuk a hőmennyiség kiszámítását.

Listairodalom

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Szerk. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Felvilágosodás.

1. "vactekh-holod.ru" internetes portál ()

Házi feladat