La capacità termica specifica di una sostanza è. Capacità termica specifica: definizione, valori, esempi

L'acqua è una delle sostanze più sorprendenti. Nonostante ampio utilizzo e l'uso onnipresente, è un vero mistero della natura. Essendo uno dei composti dell'ossigeno, sembrerebbe che l'acqua debba avere caratteristiche molto basse come il congelamento, il calore di vaporizzazione, ecc. Ma questo non accade. La capacità termica della sola acqua, nonostante tutto, è elevatissima.

L'acqua è in grado di assorbire un'enorme quantità di calore, mentre di per sé praticamente non si riscalda: questa è la sua caratteristica fisica. l'acqua è circa cinque volte superiore alla capacità termica della sabbia e dieci volte superiore al ferro. Pertanto, l'acqua è un refrigerante naturale. La sua capacità di accumulare un gran numero di l'energia consente di attenuare le fluttuazioni di temperatura sulla superficie terrestre e di regolare il regime termico in tutto il pianeta, e ciò accade indipendentemente dal periodo dell'anno.

Questo è proprietà unica l'acqua ne consente l'utilizzo come refrigerante nell'industria e nella vita di tutti i giorni. Inoltre, l'acqua è una materia prima ampiamente disponibile e relativamente economica.

Cosa si intende per capacità termica? Come è noto dal corso di termodinamica, il trasferimento di calore avviene sempre da un corpo caldo a uno freddo. in cui noi stiamo parlando circa il passaggio di una certa quantità di calore, e la temperatura di entrambi i corpi, essendo una caratteristica del loro stato, mostra la direzione di questo scambio. Nel processo di un corpo metallico con acqua di uguale massa alle stesse temperature iniziali, il metallo cambia la sua temperatura molte volte più dell'acqua.

Se prendiamo come postulato l'affermazione principale della termodinamica: da due corpi (isolati dagli altri), durante lo scambio di calore, uno emette e l'altro riceve una uguale quantità di calore, allora diventa chiaro che metallo e acqua hanno un calore completamente diverso capacità.

Pertanto, la capacità termica dell'acqua (così come di qualsiasi sostanza) è un indicatore che caratterizza la capacità di una determinata sostanza di dare (o ricevere) un po' durante il raffreddamento (riscaldamento) per unità di temperatura.

La capacità termica specifica di una sostanza è la quantità di calore richiesta per riscaldare un'unità di questa sostanza (1 chilogrammo) di 1 grado.

La quantità di calore rilasciata o assorbita da un corpo è uguale al prodotto della capacità termica specifica, della massa e della differenza di temperatura. Si misura in calorie. Una caloria è esattamente la quantità di calore sufficiente per riscaldare 1 g di acqua di 1 grado. Per fare un confronto: la capacità termica specifica dell'aria è 0,24 cal/g ∙°C, l'alluminio è 0,22, il ferro è 0,11 e il mercurio è 0,03.

La capacità termica dell'acqua non è una costante. Con un aumento della temperatura da 0 a 40 gradi diminuisce leggermente (da 1,0074 a 0,9980), mentre per tutte le altre sostanze questa caratteristica aumenta durante il riscaldamento. Inoltre, può diminuire con l'aumentare della pressione (in profondità).

Come sapete, l'acqua ha tre stati di aggregazione: liquido, solido (ghiaccio) e gassoso (vapore). Allo stesso tempo, la capacità termica specifica del ghiaccio è circa 2 volte inferiore a quella dell'acqua. Questa è la principale differenza tra l'acqua e altre sostanze, la cui capacità termica specifica allo stato solido e fuso non cambia. Qual è il segreto qui?

Il fatto è che il ghiaccio ha una struttura cristallina, che non collassa immediatamente quando viene riscaldata. L'acqua contiene piccole particelle di ghiaccio, che sono costituite da diverse molecole e sono chiamate associate. Quando l'acqua viene riscaldata, una parte viene spesa per la distruzione dei legami idrogeno in queste formazioni. Questo spiega la capacità termica insolitamente elevata dell'acqua. I legami tra le sue molecole vengono completamente distrutti solo quando l'acqua passa nel vapore.

La capacità termica specifica alla temperatura di 100°C non differisce quasi da quella del ghiaccio a 0°C, confermando ancora una volta la correttezza di questa spiegazione. La capacità termica del vapore, come la capacità termica del ghiaccio, è ora molto meglio compresa di quella dell'acqua, sulla quale gli scienziati non hanno ancora raggiunto un consenso.

Ogni scolaretto si imbatte nelle lezioni di fisica con un concetto come "capacità termica specifica". Nella maggior parte dei casi, le persone dimenticano la definizione di scuola e spesso non capiscono affatto il significato di questo termine. Nelle università tecniche, la maggior parte degli studenti prima o poi incontrerà calore specifico. Forse, come parte dello studio della fisica, o forse qualcuno avrà una disciplina come "ingegneria del calore" o "termodinamica tecnica". In questo caso, devi ricordare curriculum scolastico. Quindi, di seguito è la definizione, esempi, significati per alcune sostanze.

Definizione

La capacità termica specifica è una quantità fisica che caratterizza quanto calore deve essere fornito a un'unità di una sostanza o rimosso da un'unità di una sostanza affinché la sua temperatura cambi di un grado. È importante annullare che non importa, gradi Celsius, Kelvin e Fahrenheit, la cosa principale è il cambiamento di temperatura per unità.

La capacità termica specifica ha la sua unità di misura - in sistema internazionale unità (SI) - Joule diviso per il prodotto di un chilogrammo e un grado Kelvin, J / (kg K); l'unità fuori sistema è il rapporto tra una caloria e il prodotto di un chilogrammo e un grado Celsius, cal/(kg °C). Questo valore è più spesso indicato dalla lettera c o C, a volte vengono utilizzati indici. Ad esempio, se la pressione è costante, l'indice è p e se il volume è costante, allora v.

Variazioni di definizione

Diverse formulazioni della definizione del discusso quantità fisica. In aggiunta a quanto sopra, si ritiene accettabile una definizione che affermi che la capacità termica specifica è il rapporto tra il valore della capacità termica di una sostanza e la sua massa. In questo caso, è necessario capire chiaramente cos'è la "capacità termica". Quindi, la capacità termica è chiamata una quantità fisica che mostra quanto calore deve essere portato al corpo (sostanza) o rimosso per modificare di uno il valore della sua temperatura. La capacità termica specifica di una massa di una sostanza maggiore di un chilogrammo è determinata allo stesso modo di un singolo valore.

Alcuni esempi e significati per varie sostanze

È stato sperimentalmente trovato che per sostanze diverse questo significato è diverso. Ad esempio, la capacità termica specifica dell'acqua è 4,187 kJ/(kg K). Maggior parte Grande importanza di questa quantità fisica per l'idrogeno è 14.300 kJ / (kg K), la più piccola per l'oro è 0,129 kJ / (kg K). Se hai bisogno di un valore per una particolare sostanza, devi prendere un libro di riferimento e trovare le tabelle corrispondenti e in esse - i valori di te sono interessati. Tuttavia moderne tecnologie consentono di accelerare il processo di ricerca a volte - è sufficiente su qualsiasi telefono che abbia la possibilità di accedere al World Wide Web, digitare la domanda di interesse nella barra di ricerca, avviare la ricerca e cercare la risposta in base ai risultati . Nella maggior parte dei casi, è necessario fare clic sul primo collegamento. Tuttavia, a volte non è necessario andare da nessun'altra parte: dentro breve descrizione informazioni mostra la risposta alla domanda.

Le sostanze più comuni per le quali si ricerca la capacità termica, compreso il calore specifico, sono:

• aria (secca) - 1.005 kJ / (kg K),
• alluminio - 0,930 kJ / (kg K),
• rame - 0,385 kJ / (kg K),
• etanolo - 2.460 kJ / (kg K),
• ferro - 0,444 kJ / (kg K),
• mercurio - 0,139 kJ / (kg K),
• ossigeno - 0,920 kJ / (kg K),
• legno - 1.700 kJ/(kg K),
• sabbia - 0,835 kJ/(kg K).

La capacità termica è la capacità di assorbire una certa quantità di calore durante il riscaldamento o di cederlo una volta raffreddato. La capacità termica di un corpo è il rapporto tra una quantità infinitesima di calore che un corpo riceve e il corrispondente aumento dei suoi indicatori di temperatura. Il valore è misurato in J/K. In pratica viene utilizzato un valore leggermente diverso: la capacità termica specifica.

Definizione

Cosa si intende per capacità termica specifica? Questa è una quantità relativa a una singola quantità di una sostanza. Di conseguenza, la quantità di una sostanza può essere misurata in metri cubi, chilogrammi o anche in moli. Da cosa dipende? In fisica, la capacità termica dipende direttamente dall'unità quantitativa a cui si riferisce, il che significa che si distinguono tra capacità termica molare, di massa e volumetrica. Nel settore edile, non incontrerai misurazioni molari, ma con altre - tutto il tempo.

Cosa influenza la capacità termica specifica?

Sai cos'è la capacità termica, ma quali valori influiscono sull'indicatore non è ancora chiaro. Il valore della capacità termica specifica è direttamente influenzato da diversi componenti: la temperatura della sostanza, la pressione e altre caratteristiche termodinamiche.

All'aumentare della temperatura del prodotto, aumenta la sua capacità termica specifica, tuttavia alcune sostanze differiscono in una curva completamente non lineare in questa dipendenza. Ad esempio, con un aumento degli indicatori di temperatura da zero a trentasette gradi, la capacità termica specifica dell'acqua inizia a diminuire e se il limite è compreso tra trentasette e cento gradi, l'indicatore, al contrario, lo farà aumentare.

Vale la pena notare che il parametro dipende anche da come possono cambiare le caratteristiche termodinamiche del prodotto (pressione, volume e così via). Ad esempio, il calore specifico a pressione stabile ea volume stabile sarà diverso.

Come calcolare il parametro?

Sei interessato a qual è la capacità termica? La formula di calcolo è la seguente: C \u003d Q / (m ΔT). Quali sono questi valori? Q è la quantità di calore che il prodotto riceve quando viene riscaldato (o rilasciato dal prodotto durante il raffreddamento). m è la massa del prodotto e ΔT è la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale del prodotto. Di seguito è riportata una tabella della capacità termica di alcuni materiali.

Cosa si può dire del calcolo della capacità termica?

Calcolare la capacità termica non è un compito facile, soprattutto se si utilizzano solo metodi termodinamici, è impossibile farlo in modo più preciso. Pertanto, i fisici utilizzano i metodi della fisica statistica o la conoscenza della microstruttura dei prodotti. Come calcolare per il gas? La capacità termica di un gas è calcolata dal calcolo dell'energia media del moto termico delle singole molecole in una sostanza. I movimenti delle molecole possono essere di tipo traslazionale e rotazionale, e all'interno di una molecola può esserci un intero atomo o vibrazione di atomi. La statistica classica dice che per ogni grado di libertà dei movimenti di rotazione e traslazione esiste un valore molare, che è pari a R / 2, e per ogni grado di libertà vibrazionale, il valore è pari a R. Questa regola è anche chiamata legge di equipartizione.

In questo caso, una particella di un gas monoatomico differisce di soli tre gradi di libertà traslazionali, e quindi la sua capacità termica dovrebbe essere pari a 3R/2, che è in ottimo accordo con l'esperimento. Ogni molecola di gas biatomico ha tre gradi di libertà traslazionali, due rotazionali e uno vibrazionale, il che significa che la legge di equipartizione sarà 7R/2 e l'esperienza ha dimostrato che la capacità termica di una mole di un gas biatomico a temperatura ordinaria è 5R/ 2. Perché c'era una tale discrepanza in teoria? Ciò è dovuto al fatto che quando si stabilisce la capacità termica, sarà necessario tenerne conto effetti quantistici in altre parole, usa la statistica quantistica. Come puoi vedere, la capacità termica è un concetto piuttosto complicato.

La meccanica quantistica afferma che qualsiasi sistema di particelle che oscillano o ruotano, inclusa una molecola di gas, può avere determinati valori energetici. Se l'energia del moto termico in sistema installatoè insufficiente per eccitare oscillazioni della frequenza richiesta, quindi queste oscillazioni non contribuiscono alla capacità termica del sistema.

A solidi Oh moto termico atomi è una fluttuazione debole vicino a determinate posizioni di equilibrio, questo vale per i nodi del reticolo cristallino. Un atomo ha tre gradi di libertà vibrazionali e, secondo la legge, la capacità termica molare di un solido è uguale a 3nR, dove n è il numero di atomi presenti nella molecola. In pratica questo valore è il limite a cui tende la capacità termica del corpo alle alte temperature. Il valore si ottiene con normali variazioni di temperatura in molti elementi, questo vale sia per i metalli che per i composti semplici. Viene inoltre determinata la capacità termica del piombo e di altre sostanze.

Cosa si può dire delle basse temperature?

Sappiamo già cos'è la capacità termica, ma se ne parliamo basse temperature, allora come verrà calcolato il valore? Se parliamo di indicatori di bassa temperatura, allora la capacità termica di un corpo solido risulta essere proporzionale T 3 o la cosiddetta legge di Debye della capacità termica. Il criterio principale per distinguere alte prestazioni temperature da basse, è confronto ordinario loro con un parametro caratteristico di una particolare sostanza - questa può essere la caratteristica o la temperatura di Debye q D . Il valore presentato è impostato dallo spettro di vibrazione degli atomi nel prodotto e dipende in modo significativo dalla struttura cristallina.

Nei metalli, gli elettroni di conduzione danno un certo contributo alla capacità termica. Questa parte della capacità termica viene calcolata utilizzando la statistica di Fermi-Dirac, che tiene conto degli elettroni. La capacità termica elettronica di un metallo, che è proporzionale alla capacità termica abituale, è un valore relativamente piccolo e contribuisce alla capacità termica del metallo solo a temperature prossime allo zero assoluto. Quindi la capacità termica del reticolo diventa molto piccola e può essere trascurata.

Capacità termica di massa

La capacità termica specifica di massa è la quantità di calore che deve essere portata a una massa unitaria di una sostanza per riscaldare il prodotto per unità di temperatura. Questo valore è indicato dalla lettera C e si misura in joule divisi per un chilogrammo per kelvin - J / (kg K). Questo è tutto ciò che riguarda la capacità termica della massa.

Che cos'è la capacità termica volumetrica?

La capacità termica volumetrica è una certa quantità di calore che deve essere portata a un volume unitario di produzione per riscaldarla per unità di temperatura. Si misura in joule diviso per metro cubo per kelvin o J / (m³ K). In molti libri di riferimento sull'edilizia, viene considerata la capacità termica specifica di massa nel lavoro.

Applicazione pratica della capacità termica nel settore edile

Molti materiali ad alta intensità di calore vengono utilizzati attivamente nella costruzione di pareti resistenti al calore. Questo è estremamente importante per le case caratterizzate dal riscaldamento periodico. Ad esempio, forno. I prodotti ad alta intensità di calore e le pareti costruite da essi accumulano perfettamente il calore, lo accumulano durante i periodi di riscaldamento e rilasciano gradualmente calore dopo lo spegnimento del sistema, consentendo così di mantenere una temperatura accettabile per tutto il giorno.

Quindi, più calore viene immagazzinato nella struttura, più confortevole e stabile sarà la temperatura negli ambienti.

Va notato che i normali mattoni e cemento utilizzati nell'edilizia abitativa hanno una capacità termica significativamente inferiore rispetto al polistirene espanso. Se prendiamo l'ecowool, consuma tre volte più calore del cemento. Va notato che nella formula per il calcolo della capacità termica non è vano che ci sia massa. A causa della grande massa enorme di cemento o mattoni, rispetto all'ecowool, consente di accumulare enormi quantità di calore nelle pareti in pietra delle strutture e di attenuare tutte le fluttuazioni di temperatura quotidiane. Solo una piccola massa di isolamento in tutto case a telaio, nonostante la sua buona capacità termica, è la zona più debole per tutte tecnologie del telaio. Risolvere questo problema, in tutte le case sono installati imponenti accumulatori di calore. Cos'è? Si tratta di parti strutturali caratterizzate da una grande massa con un indice di capacità termica abbastanza buono.

Esempi di accumulatori di calore nella vita

Cosa potrebbe essere? Ad esempio, alcuni interni muri di mattoni, una grande stufa o camino, massetti in cemento.

I mobili in ogni casa o appartamento sono un eccellente accumulatore di calore, perché compensato, truciolare e legno possono effettivamente immagazzinare calore solo per chilogrammo di peso tre volte di più del famigerato mattone.

Ci sono degli svantaggi nell'accumulo termico? Naturalmente, il principale svantaggio di questo approccio è che l'accumulatore di calore deve essere progettato nella fase di creazione di un layout. casa di legno. Tutto a causa del fatto che è molto pesante, e questo dovrà essere preso in considerazione durante la creazione delle fondamenta, quindi immagina come questo oggetto verrà integrato all'interno. Vale la pena dire che è necessario tenere conto non solo della massa, sarà necessario valutare entrambe le caratteristiche nel lavoro: massa e capacità termica. Ad esempio, se si utilizza l'oro con un peso incredibile di venti tonnellate per metro cubo come accumulo di calore, il prodotto funzionerà come dovrebbe solo il ventitré per cento meglio di un cubo di cemento, che pesa due tonnellate e mezzo.

Quale sostanza è più adatta per un accumulo di calore?

miglior prodotto perché un accumulatore di calore non è affatto cemento e mattoni! Rame, bronzo e ferro fanno un buon lavoro, ma sono molto pesanti. Stranamente, ma il miglior accumulatore di calore è l'acqua! Il liquido ha una capacità termica impressionante, la più grande tra le sostanze a nostra disposizione. Solo i gas elio (5190 J / (kg K) e l'idrogeno (14300 J / (kg K)) hanno una capacità termica maggiore, ma sono problematici da applicare nella pratica. Se lo desideri e hai bisogno, consulta la tabella delle capacità termiche delle sostanze hai bisogno.

Introduciamo ora una caratteristica termodinamica molto importante chiamata capacità termica sistemi(tradizionalmente indicato dalla lettera Insieme a con indici diversi).

Capacità termica - valore additivo, dipende dalla quantità di sostanza nel sistema. Pertanto, introduciamo anche calore specifico

Calore specificoè la capacità termica per unità di massa di una sostanza

e capacità termica molare

Capacità termica molareè la capacità termica di una mole di una sostanza

Poiché la quantità di calore non è una funzione di stato e dipende dal processo, la capacità termica dipenderà anche dal modo in cui il calore viene fornito al sistema. Per capirlo, ricordiamo il primo principio della termodinamica. Dividendo l'uguaglianza ( 2.4) per incremento elementare di temperatura assoluta dT, otteniamo la relazione

Il secondo termine, come abbiamo visto, dipende dal tipo di processo. Notiamo che nel caso generale di un sistema non ideale, l'interazione delle cui particelle (molecole, atomi, ioni, ecc.) non può essere trascurata (si veda, ad esempio, il successivo § 2.5, in cui si considera il gas di van der Waals) , l'energia interna dipende non solo dalla temperatura, ma anche dal volume del sistema. Ciò è spiegato dal fatto che l'energia di interazione dipende dalla distanza tra le particelle interagenti. Quando il volume del sistema cambia, cambia la concentrazione delle particelle, rispettivamente, cambia la distanza media tra loro e, di conseguenza, cambiano l'energia di interazione e l'intera energia interna del sistema. In altre parole, nel caso generale di un sistema non ideale

Pertanto, nel caso generale, il primo termine non può essere scritto come derivata totale, la derivata totale deve essere sostituita da una derivata parziale con un'ulteriore indicazione del valore costante a cui è calcolata. Ad esempio, per un processo isocoro:

.

O per un processo isobarico

La derivata parziale inclusa in questa espressione viene calcolata utilizzando l'equazione di stato del sistema, scritta come . Ad esempio, nel caso particolare di un gas ideale

questo derivato è

.

Prenderemo in considerazione due casi speciali corrispondenti al processo di fornitura del calore:

• volume costante;
• pressione costante nel sistema.

Nel primo caso, lavorare dA = 0 e otteniamo la capacità termica CV gas ideale a volume costante:

Tenendo conto della riserva fatta sopra, per una relazione di sistema non ideale (2.19) deve essere scritta come segue vista generale

Sostituzione 2.7 su , e su , otteniamo immediatamente:

.

Per calcolare la capacità termica di un gas ideale Con pag a pressione costante ( dp=0) teniamo conto che dall'equazione ( 2.8) segue l'espressione per il lavoro elementare con una variazione infinitesimale di temperatura

Arriviamo alla fine

Dividendo questa equazione per il numero di moli di una sostanza nel sistema, otteniamo una relazione simile per le capacità termiche molari a volume e pressione costanti, chiamata Il rapporto di Mayer

Per riferimento formula generale- per un sistema arbitrario - collegamento di capacità termiche isocore e isobariche:

Le espressioni (2.20) e (2.21) si ottengono da questa formula sostituendo in essa l'espressione per Energia interna gas ideale e usando la sua equazione di stato (vedi sopra):

.

La capacità termica di una data massa di materia a pressione costante è maggiore della capacità termica a volume costante, poiché parte dell'energia in ingresso viene spesa per svolgere il lavoro e per lo stesso riscaldamento è necessario più calore. Si noti che dalla (2.21) segue significato fisico costante del gas:

Pertanto, la capacità termica risulta dipendere non solo dal tipo di sostanza, ma anche dalle condizioni in cui si verifica il processo di variazione della temperatura.

Come si vede, le capacità termiche isocora e isobarica di un gas ideale non dipendono dalla temperatura del gas, per le sostanze reali queste capacità termiche dipendono, in generale, anche dalla temperatura stessa. T.

Le capacità termiche isocora e isobarica di un gas ideale possono essere ricavate anche direttamente dalla definizione generale, utilizzando le formule sopra ottenute ( 2.7) e (2.10 ) per la quantità di calore ottenuta da un gas ideale in questi processi.

Per un processo isocoro, l'espressione per CV segue da ( 2.7):

Per un processo isobarico, l'espressione per C pag segue da (2.10):

Per capacità termiche molari quindi si ottengono le seguenti espressioni

Il rapporto tra le capacità termiche è uguale all'indice adiabatico:

A livello termodinamico, è impossibile prevedere il valore numerico g; siamo riusciti a farlo solo considerando le proprietà microscopiche del sistema (vedi espressione (1.19 ), così come ( 1.28) per una miscela di gas). Dalle formule (1.19) e (2.24), seguono previsioni teoriche per le capacità termiche molari dei gas e l'esponente adiabatico.

Gas monoatomici (io = 3):

Gas biatomici (io = 5):

Gas poliatomici (io = 6):

Dati sperimentali per varie sostanze sono mostrati nella tabella 1.

Tabella 1

Sostanza			g

È chiaro che modello semplice gas ideali generalmente descrive abbastanza bene le proprietà dei gas reali. Si noti che l'accordo è stato ottenuto senza tener conto dei gradi di libertà vibrazionali delle molecole di gas.

Abbiamo anche fornito i valori della capacità termica molare di alcuni metalli a temperatura ambiente. Se immagina reticolo cristallino metallo come un insieme ordinato di sfere solide collegate da molle a sfere vicine, quindi ogni particella può oscillare solo in tre direzioni ( conto = 3), e ciascuno di questi gradi di libertà è associato a una cinetica kV T/2 e la stessa energia potenziale. Pertanto, una particella di cristallo ha un'energia interna (oscillante). kV T. Moltiplicando per il numero di Avogadro, otteniamo l'energia interna di una mole

da dove deriva il valore della capacità termica molare

(A causa del piccolo coefficiente di espansione termica dei solidi, non si distinguono con pag e CV). Viene chiamata la relazione precedente per la capacità termica molare dei solidi la legge di Dulong e Petit, e la tabella mostra una buona corrispondenza del valore calcolato

con esperimento.

Parlando del buon accordo tra i rapporti di cui sopra ei dati sperimentali, va notato che si osserva solo in un determinato intervallo di temperatura. In altre parole, la capacità termica del sistema dipende dalla temperatura e le formule (2.24) hanno una portata limitata. Consideriamo prima la Fig. 2.10, che mostra la dipendenza sperimentale della capacità termica con TV gas idrogeno dalla temperatura assoluta T.

Riso. 2.10. Capacità termica molare dell'idrogeno gassoso Н2 a volume costante in funzione della temperatura (dati sperimentali)

Di seguito, per brevità, si parla dell'assenza di certi gradi di libertà nelle molecole in determinati intervalli di temperatura. Ancora una volta, ricordiamo che in realtà stiamo parlando di quanto segue. Per ragioni quantistiche, il contributo relativo all'energia interna di un gas alcuni tipi il moto dipende davvero dalla temperatura e in certi intervalli di temperatura può essere così piccolo che nell'esperimento - sempre eseguito con precisione finita - è invisibile. Il risultato dell'esperimento sembra che questi tipi di movimento non esistano e non ci siano gradi di libertà corrispondenti. Il numero e la natura dei gradi di libertà sono determinati dalla struttura della molecola e dalla tridimensionalità del nostro spazio: non possono dipendere dalla temperatura.

Il contributo all'energia interna dipende dalla temperatura e può essere piccolo.

A temperature inferiori 100 mila capacità termica

che indica l'assenza di gradi di libertà sia rotazionali che vibrazionali nella molecola. Inoltre, all'aumentare della temperatura, la capacità termica aumenta rapidamente fino al valore classico

caratteristico di molecola biatomica con una connessione rigida, in cui non ci sono gradi di libertà vibrazionali. A temperature superiori 2000 K la capacità termica scopre un nuovo salto di valore

Questo risultato indica anche la comparsa di gradi di libertà vibrazionali. Ma tutto questo sembra ancora inspiegabile. Perché una molecola non può ruotare a basse temperature? E perché le vibrazioni in una molecola si verificano solo a temperature molto elevate? Nel capitolo precedente è stata fornita una breve discussione qualitativa delle ragioni quantistiche di questo comportamento. E ora possiamo solo ripetere che l'intera faccenda si riduce a fenomeni specificamente quantistici che non possono essere spiegati dal punto di vista della fisica classica. Questi fenomeni sono discussi in dettaglio nelle sezioni successive del corso.

Informazioni aggiuntive

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - p.236 - tabella delle temperature caratteristiche di "accensione" dei gradi di libertà vibrazionali e rotazionali di molecole per alcuni gas specifici;

Passiamo ora alla fig. 2.11, che rappresenta la dipendenza delle capacità termiche molari di tre elementi chimici(cristalli) sulla temperatura. Ad alte temperature, tutte e tre le curve tendono allo stesso valore

corrispondente alla legge Dulong e Petit. Piombo (Pb) e ferro (Fe) hanno praticamente questa capacità termica limitante già a temperatura ambiente.

Riso. 2.11. La dipendenza della capacità termica molare di tre elementi chimici - cristalli di piombo, ferro e carbonio (diamante) - dalla temperatura

Per il diamante (C), questa temperatura non è ancora sufficientemente alta. E alle basse temperature, tutte e tre le curve mostrano una deviazione significativa dalla legge di Dulong e Petit. Questa è un'altra manifestazione delle proprietà quantistiche della materia. La fisica classica si rivela incapace di spiegare molte regolarità osservate a basse temperature.

Informazioni aggiuntive

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Introduzione alla fisica molecolare e alla termodinamica, ed. IL, 1962 - pp. 106–107, parte I, § 12 - il contributo degli elettroni alla capacità termica dei metalli a temperature prossime allo zero assoluto;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Conosci la fisica? Biblioteca "Quantum", numero 82, Scienza, 1992. Pagina 132, domanda 137: quali corpi hanno la maggiore capacità termica (si veda la risposta a pag. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Conosci la fisica? Biblioteca "Quantum", numero 82, Scienza, 1992. Pagina 132, domanda 135: sul riscaldamento dell'acqua in tre stati: solido, liquido e vapore (si veda la risposta a p. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - enciclopedia fisica. Calorimetria. Vengono descritti i metodi per misurare le capacità termiche.

Nella lezione di oggi introdurremo un concetto fisico come la capacità termica specifica di una sostanza. Sappiamo che dipende proprietà chimiche sostanze, e il suo valore, che si può trovare nelle tabelle, è diverso per le diverse sostanze. Quindi scopriremo le unità di misura e la formula per trovare la capacità termica specifica e impareremo anche come analizzare le proprietà termiche delle sostanze in base al valore della loro capacità termica specifica.

Calorimetro(dal lat. calorie- caldo e metro- misura) - un dispositivo per misurare la quantità di calore rilasciata o assorbita in qualsiasi processo fisico, chimico o biologico. Il termine "calorimetro" è stato proposto da A. Lavoisier e P. Laplace.

Il calorimetro è costituito da un coperchio, vetro interno ed esterno. È molto importante nella progettazione del calorimetro che ci sia uno strato d'aria tra i vasi più piccoli e più grandi, che, a causa della bassa conduttività termica, fornisce uno scarso trasferimento di calore tra il contenuto e l'ambiente esterno. Questo design consente di considerare il calorimetro come una sorta di thermos e praticamente di eliminare gli effetti ambiente esterno nel corso dei processi di trasferimento del calore all'interno del calorimetro.

Il calorimetro è destinato a misurazioni più accurate delle capacità termiche specifiche e di altri parametri termici dei corpi rispetto a quanto indicato nella tabella.

Commento.È importante notare che un concetto come la quantità di calore, che usiamo molto spesso, non deve essere confuso con l'energia interna del corpo. La quantità di calore determina precisamente la variazione dell'energia interna, e non il suo valore specifico.

Si noti che la capacità termica specifica delle diverse sostanze è diversa, come si può vedere dalla tabella (Fig. 3). Ad esempio, l'oro ha una capacità termica specifica. Come abbiamo già sottolineato in precedenza, il significato fisico di questa capacità termica specifica significa che per riscaldare 1 kg di oro di 1 °C, è necessario alimentarlo con 130 J di calore (Fig. 5).

Riso. 5. Capacità termica specifica dell'oro

Nella prossima lezione, discuteremo come calcolare la quantità di calore.

Elencoletteratura

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2. Peryshkin AV Fisica 8. - M.: Otarda, 2010.
3. Fadeeva AA, Zasov AV, Kiselev DF Fisica 8. - M.: Illuminismo.

1. Portale Internet "vactekh-holod.ru" ()

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