Vielas īpatnējā siltumietilpība ir. Īpatnējā siltuma jauda: definīcija, vērtības, piemēri

Ūdens ir viena no pārsteidzošākajām vielām. Par spīti plaša izmantošana un visuresoša lietošana, tas ir īsts dabas noslēpums. Šķiet, ka ūdens ir viens no skābekļa savienojumiem ar ļoti zemām īpašībām, piemēram, sasalšanu, iztvaikošanas siltumu utt. Bet tā nenotiek. Ūdens siltumietilpība vien, neskatoties ne uz ko, ir ārkārtīgi augsta.

Ūdens spēj absorbēt milzīgu daudzumu siltuma, bet pats praktiski nesasilst - tā ir tā fiziskā iezīme. ūdens ir apmēram piecas reizes lielāks par smilšu siltumietilpību un desmit reizes lielāks par dzelzi. Tāpēc ūdens ir dabisks dzesēšanas šķidrums. Tās spēja uzkrāties liels skaits enerģija ļauj izlīdzināt temperatūras svārstības uz Zemes virsmas un regulēt termisko režīmu visā planētā, un tas notiek neatkarīgi no gada laika.

Tas ir unikāls īpašumsūdens ļauj to izmantot kā aukstumaģentu rūpniecībā un ikdienā. Turklāt ūdens ir plaši pieejama un salīdzinoši lēta izejviela.

Ko nozīmē siltuma jauda? Kā zināms no termodinamikas kursa, siltuma pārnese vienmēr notiek no karsta ķermeņa uz aukstu. Kurā mēs runājam par noteikta siltuma daudzuma pāreju, un abu ķermeņu temperatūra, kas ir to stāvokļa raksturojums, parāda šīs apmaiņas virzienu. Metāla korpusa procesā ar vienādas masas ūdeni vienādās sākotnējās temperatūrās metāls maina temperatūru vairākas reizes vairāk nekā ūdens.

Ja par postulātu ņemam galveno termodinamikas apgalvojumu - no diviem (no citiem izolētiem) ķermeņiem siltuma apmaiņas laikā viens izdala un otrs saņem vienādu siltuma daudzumu, tad kļūst skaidrs, ka metālam un ūdenim ir pilnīgi atšķirīgs siltums. jaudas.

Tādējādi ūdens (tāpat kā jebkuras vielas) siltumietilpība ir rādītājs, kas raksturo dotās vielas spēju dzesēšanas (sildīšanas) laikā uz vienu temperatūras vienību kaut ko dot (vai saņemt).

Vielas īpatnējā siltumietilpība ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai uzsildītu šīs vielas vienību (1 kilogramu) par 1 grādu.

Ķermeņa izdalītā vai absorbētā siltuma daudzums ir vienāds ar īpatnējās siltumietilpības, masas un temperatūras starpības reizinājumu. To mēra kalorijās. Viena kalorija ir tieši tik siltuma daudzums, kas ir pietiekams, lai 1 g ūdens uzsildītu par 1 grādu. Salīdzinājumam: gaisa īpatnējā siltumietilpība ir 0,24 cal/g ∙°C, alumīnija – 0,22, dzelzs – 0,11, dzīvsudraba – 0,03.

Ūdens siltumietilpība nav nemainīga. Paaugstinoties temperatūrai no 0 līdz 40 grādiem, tā nedaudz samazinās (no 1,0074 līdz 0,9980), savukārt visām pārējām vielām šis raksturlielums karsēšanas laikā palielinās. Turklāt tas var samazināties, palielinoties spiedienam (dziļumā).

Kā zināms, ūdenim ir trīs agregācijas stāvokļi – šķidrs, ciets (ledus) un gāzveida (tvaiks). Tajā pašā laikā ledus īpatnējā siltumietilpība ir aptuveni 2 reizes zemāka nekā ūdens. Tā ir galvenā atšķirība starp ūdeni un citām vielām, kuru īpatnējā siltumietilpība cietā un kausētā stāvoklī nemainās. Kāds šeit ir noslēpums?

Fakts ir tāds, ka ledum ir kristāliska struktūra, kas karsējot uzreiz nesabrūk. Ūdens satur nelielas ledus daļiņas, kas sastāv no vairākām molekulām un tiek sauktas par asociētajām daļiņām. Sildot ūdeni, daļa tiek tērēta ūdeņraža saišu iznīcināšanai šajos veidojumos. Tas izskaidro ūdens neparasti lielo siltumietilpību. Saites starp tā molekulām tiek pilnībā iznīcinātas tikai tad, kad ūdens pāriet tvaikā.

Īpatnējā siltumietilpība 100 ° C temperatūrā gandrīz neatšķiras no ledus 0 ° C. Tas vēlreiz apstiprina šī skaidrojuma pareizību. Tvaika siltumietilpība, tāpat kā ledus siltumietilpība, tagad ir daudz labāk izprotama nekā ūdens, par ko zinātnieki vēl nav nonākuši pie vienprātības.

Katrs skolēns fizikas stundās sastopas ar tādu jēdzienu kā "īpatnējā siltumietilpība". Vairumā gadījumu cilvēki aizmirst skolas definīciju un bieži vien nemaz nesaprot šī termina nozīmi. Tehniskajās universitātēs lielākā daļa studentu agrāk vai vēlāk saskarsies īpašs karstums. Varbūt fizikas studiju ietvaros, vai varbūt kādam būs tāda disciplīna kā "siltumtehnika" vai "tehniskā termodinamika". Šajā gadījumā jums ir jāatceras skolas mācību programma. Tātad, zemāk ir dažu vielu definīcija, piemēri, nozīmes.

Definīcija

Īpatnējā siltumietilpība ir fizikāls lielums, kas raksturo, cik daudz siltuma jāpiegādā vielas vienībai vai jāizņem no vielas vienības, lai tās temperatūra mainītos par vienu grādu. Ir svarīgi atcelt, ka tas nav svarīgi, grādi pēc Celsija, Kelvina un Fārenheita, galvenais ir temperatūras izmaiņas uz vienību.

Īpatnējai siltuma jaudai ir sava mērvienība - in starptautiskā sistēma vienības (SI) - džouls dalīts ar kilograma un Kelvina grāda reizinājumu, J / (kg K); ārpussistēmas vienība ir kalorijas attiecība pret kilogramu un Celsija grādu reizinājumu, cal/(kg °C). Šo vērtību visbiežāk apzīmē ar burtu c vai C, dažreiz tiek izmantoti indeksi. Piemēram, ja spiediens ir nemainīgs, tad indekss ir p, un, ja tilpums ir nemainīgs, tad v.

Definīcijas variācijas

Vairāki apspriestā definīcijas formulējumi fiziskais daudzums. Papildus iepriekšminētajam tiek uzskatīta par pieņemamu definīciju, kas nosaka, ka īpatnējā siltumietilpība ir vielas siltumietilpības vērtības attiecība pret tās masu. Šajā gadījumā ir skaidri jāsaprot, kas ir "siltuma jauda". Tātad siltumietilpību sauc par fizisku lielumu, kas parāda, cik daudz siltuma jāienes ķermenim (vielai) vai jāizņem, lai tā temperatūras vērtību mainītu par vienu. Vielas masas īpatnējo siltumietilpību, kas lielāka par kilogramu, nosaka tāpat kā atsevišķai vērtībai.

Daži dažādu vielu piemēri un nozīmes

Eksperimentāli ir konstatēts, ka priekš dažādas vielasšī nozīme ir atšķirīga. Piemēram, ūdens īpatnējā siltumietilpība ir 4,187 kJ/(kg K). Lielākā daļa liela nozīme no šī fizikālā daudzuma ūdeņradim ir 14,300 kJ / (kg K), mazākais zeltam ir 0,129 kJ / (kg K). Ja jums ir nepieciešama vērtība konkrētai vielai, jums ir jāņem atsauces grāmata un jāatrod atbilstošās tabulas, un tajās - jūs interesējošās vērtības. Tomēr modernās tehnoloģijasļauj reizēm paātrināt meklēšanas procesu - pietiek jebkurā tālrunī, kuram ir iespēja iekļūt globālajā tīmeklī, meklēšanas joslā ierakstīt interesējošo jautājumu, sākt meklēšanu un meklēt atbildi pēc rezultātiem . Vairumā gadījumu jums ir jānoklikšķina uz pirmās saites. Tomēr dažreiz jums nemaz nav jādodas nekur citur — iekšā Īss apraksts informācija parāda atbildi uz jautājumu.

Visbiežāk sastopamās vielas, kurām viņi meklē siltumietilpību, tostarp īpatnējo siltumu, ir:

gaiss (sauss) - 1,005 kJ / (kg K),
alumīnijs - 0,930 kJ / (kg K),
varš - 0,385 kJ / (kg K),
etanols - 2,460 kJ / (kg K),
dzelzs - 0,444 kJ / (kg K),
dzīvsudrabs - 0,139 kJ / (kg K),
skābeklis - 0,920 kJ / (kg K),
koksne - 1700 kJ/(kg K),
smiltis - 0,835 kJ/(kg K).

Siltuma jauda ir spēja absorbēt noteiktu siltuma daudzumu sildīšanas laikā vai atdot to atdziestot. Ķermeņa siltumietilpība ir bezgalīgi maza siltuma daudzuma, ko ķermenis saņem, attiecība pret atbilstošo tā temperatūras rādītāju pieaugumu. Vērtība tiek mērīta J/K. Praksē tiek izmantota nedaudz atšķirīga vērtība - īpatnējā siltuma jauda.

Definīcija

Ko nozīmē īpatnējā siltumietilpība? Tas ir daudzums, kas saistīts ar vienu vielas daudzumu. Attiecīgi vielas daudzumu var mērīt kubikmetros, kilogramos vai pat molos. No kā tas ir atkarīgs? Fizikā siltumietilpība ir tieši atkarīga no tā, uz kuru kvantitatīvo vienību tā attiecas, kas nozīmē, ka viņi izšķir molāro, masu un tilpuma siltumietilpību. Būvniecības nozarē ar molārajiem mērījumiem nesanāks, bet ar citiem - visu laiku.

Kas ietekmē īpatnējo siltuma jaudu?

Jūs zināt, kas ir siltuma jauda, bet vēl nav skaidrs, kādas vērtības ietekmē indikatoru. Īpatnējā siltuma vērtību tieši ietekmē vairākas sastāvdaļas: vielas temperatūra, spiediens un citi termodinamiskie raksturlielumi.

Paaugstinoties produkta temperatūrai, tā īpatnējā siltumietilpība palielinās, tomēr atsevišķas vielas šajā atkarībā atšķiras ar pilnīgi nelineāru līkni. Piemēram, temperatūras indikatoriem palielinoties no nulles līdz trīsdesmit septiņiem grādiem, ūdens īpatnējā siltumietilpība sāk samazināties, un, ja robeža ir no trīsdesmit septiņiem līdz simts grādiem, indikators, gluži pretēji, samazināsies. palielināt.

Ir vērts atzīmēt, ka parametrs ir atkarīgs arī no tā, kā produkta termodinamiskās īpašības (spiediens, tilpums utt.) var mainīties. Piemēram, īpatnējais siltums pie stabila spiediena un pie stabila tilpuma būs atšķirīgs.

Kā aprēķināt parametru?

Vai jūs interesē kāda ir siltuma jauda? Aprēķina formula ir šāda: C \u003d Q / (m ΔT). Kādas ir šīs vērtības? Q ir siltuma daudzums, ko produkts saņem sildot (vai izdala no produkta dzesēšanas laikā). m ir produkta masa, un ΔT ir starpība starp produkta galīgo un sākotnējo temperatūru. Zemāk ir tabula par dažu materiālu siltumietilpību.

Ko var teikt par siltumietilpības aprēķinu?

Siltuma jaudas aprēķināšana nav viegls uzdevums, īpaši, ja tiek izmantotas tikai termodinamiskās metodes, precīzāk to izdarīt nav iespējams. Tāpēc fiziķi izmanto statistiskās fizikas metodes vai zināšanas par produktu mikrostruktūru. Kā aprēķināt gāzi? Gāzes siltumietilpību aprēķina, aprēķinot vielas atsevišķu molekulu siltumkustības vidējo enerģiju. Molekulu kustības var būt translācijas un rotācijas tipa, un molekulas iekšpusē var būt vesels atoms vai atomu vibrācija. Klasiskā statistika saka, ka katrai rotācijas un translācijas kustību brīvības pakāpei ir molārā vērtība, kas ir vienāda ar R / 2, un katrai vibrācijas brīvības pakāpei vērtība ir vienāda ar R. Šo noteikumu sauc arī par līdzsvara likums.

Šajā gadījumā monatomiskās gāzes daļiņa atšķiras tikai ar trim translācijas brīvības pakāpēm, un tāpēc tās siltumietilpībai jābūt vienādai ar 3R/2, kas lieliski saskan ar eksperimentu. Katrai diatomiskās gāzes molekulai ir trīs translācijas, divas rotācijas un viena vibrācijas brīvības pakāpe, kas nozīmē, ka līdzsvarošanas likums būs 7R/2, un pieredze rāda, ka divatomiskās gāzes mola siltumietilpība parastā temperatūrā ir 5R/ 2. Kāpēc teorētiski bija šāda neatbilstība? Tas ir saistīts ar faktu, ka, nosakot siltuma jaudu, būs jāņem vērā dažādi kvantu efekti citiem vārdiem sakot, izmantojiet kvantu statistiku. Kā redzat, siltuma jauda ir diezgan sarežģīts jēdziens.

Kvantu mehānika saka, ka jebkurai daļiņu sistēmai, kas svārstās vai rotē, ieskaitot gāzes molekulu, var būt noteiktas diskrētas enerģijas vērtības. Ja termiskās kustības enerģija in uzstādīta sistēma ir nepietiekams, lai ierosinātu vajadzīgās frekvences svārstības, tad šīs svārstības neveicina sistēmas siltumietilpību.

AT cietvielas Ak termiskā kustība atomi ir vājas svārstības pie noteiktām līdzsvara pozīcijām, tas attiecas uz kristāla režģa mezgliem. Atomam ir trīs vibrāciju brīvības pakāpes, un saskaņā ar likumu cieta ķermeņa molārā siltumietilpība ir vienāda ar 3nR, kur n ir molekulā esošo atomu skaits. Praksē šī vērtība ir robeža, līdz kurai tiecas ķermeņa siltumietilpība augstā temperatūrā. Vērtība tiek sasniegta ar normālām temperatūras izmaiņām daudzos elementos, tas attiecas uz metāliem, kā arī vienkāršiem savienojumiem. Tiek noteikta arī svina un citu vielu siltumietilpība.

Ko var teikt par zemu temperatūru?

Mēs jau zinām, kas ir siltuma jauda, bet, ja mēs runājam par zemas temperatūras, kā tad tiks aprēķināta vērtība? Ja mēs runājam par zemas temperatūras indikatoriem, tad cieta ķermeņa siltumietilpība izrādās proporcionāla T 3 jeb tā sauktais Debija siltumietilpības likums. Galvenais atšķiršanas kritērijs augsta veiktspēja temperatūra no zemas, ir parasts salīdzinājums tos ar parametru, kas raksturīgs konkrētai vielai - tas var būt raksturlielums vai Debija temperatūra q D . Uzrādīto vērtību nosaka produktā esošo atomu vibrāciju spektrs, un tā ir būtiski atkarīga no kristāla struktūras.

Metālos vadītspējas elektroni dod zināmu ieguldījumu siltumietilpībā. Šī siltuma jaudas daļa tiek aprēķināta, izmantojot Fermi-Dirac statistiku, kurā tiek ņemti vērā elektroni. Metāla elektroniskā siltumietilpība, kas ir proporcionāla parastajai siltumietilpībai, ir salīdzinoši maza vērtība, un tā veicina metāla siltumietilpību tikai temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Tad režģa siltumietilpība kļūst ļoti maza, un to var atstāt novārtā.

Masas siltuma jauda

Masas īpatnējā siltumietilpība ir siltuma daudzums, kas jāsadala līdz vielas masas vienībai, lai uzsildītu produktu uz temperatūras vienību. Šo vērtību apzīmē ar burtu C, un to mēra džoulos, kas dalīti ar kilogramu uz kelvinu - J / (kg K). Tas ir viss, kas attiecas uz masas siltumietilpību.

Kas ir tilpuma siltuma jauda?

Tilpuma siltuma jauda ir noteikts siltuma daudzums, kas jāsadala līdz ražošanas apjoma vienībai, lai to uzsildītu uz vienu temperatūras vienību. To mēra džoulos, dalot ar kubikmetrs uz kelvinu vai J / (m³ K). Daudzās ēku atsauces grāmatās tiek ņemta vērā masas īpatnējā siltuma jauda darbā.

Siltumjaudas praktiskais pielietojums būvniecības nozarē

Karstumizturīgu sienu būvniecībā aktīvi tiek izmantoti daudzi siltumietilpīgi materiāli. Tas ir ārkārtīgi svarīgi mājām, kurām raksturīga periodiska apkure. Piemēram, krāsns. Siltumintensīvi izstrādājumi un no tiem būvētās sienas lieliski akumulē siltumu, uzglabā to apkures periodos un pēc sistēmas izslēgšanas pamazām izdala siltumu, tādējādi ļaujot uzturēt pieņemamu temperatūru visas dienas garumā.

Tātad, jo vairāk siltuma tiek uzkrāts konstrukcijā, jo ērtāka un stabilāka būs temperatūra telpās.

Jāņem vērā, ka parastajiem ķieģeļiem un betonam, ko izmanto mājokļu celtniecībā, ir ievērojami zemāka siltumietilpība nekā putupolistirolam. Ja ņemam ekovati, tad tā ir trīs reizes siltumietilpīgāka par betonu. Jāpiebilst, ka siltumietilpības aprēķināšanas formulā ne velti ir masa. Lielās milzīgās betona vai ķieģeļu masas dēļ, salīdzinot ar ekovati, tā ļauj konstrukciju akmens sienās uzkrāt milzīgus siltuma daudzumus un izlīdzināt visas ikdienas temperatūras svārstības. Kopumā tikai neliela izolācijas masa karkasa mājas, neskatoties uz savu labo siltumietilpību, ir vājākā zona visiem rāmju tehnoloģijas. Atrisināt šī problēma, visās mājās ir uzstādīti iespaidīgi siltuma akumulatori. Kas tas ir? Tās ir konstrukcijas daļas, kurām raksturīga liela masa ar diezgan labu siltumietilpības indeksu.

Siltuma akumulatoru piemēri dzīvē

Kas tas varētu būt? Piemēram, daži iekšējie ķieģeļu sienas, liela krāsns vai kamīns, betona segumi.

Mēbeles jebkurā mājā vai dzīvoklī ir lielisks siltuma akumulators, jo saplāksnis, skaidu plātne un koks faktiski spēj uzkrāt siltumu tikai uz svara kilogramu trīs reizes vairāk nekā bēdīgi slavenais ķieģelis.

Vai termiskai uzglabāšanai ir kādi trūkumi? Protams, šīs pieejas galvenais trūkums ir tāds, ka siltuma akumulators ir jāprojektē izkārtojuma izveides stadijā. karkasa māja. Tas viss ir saistīts ar to, ka tas ir ļoti smags, un tas būs jāņem vērā, veidojot pamatu, un tad iedomājieties, kā šis objekts tiks integrēts interjerā. Ir vērts teikt, ka jāņem vērā ne tikai masa, bet darbā būs jānovērtē abas īpašības: masa un siltuma jauda. Piemēram, ja kā siltuma krātuvi izmantosiet zeltu ar neticamu svaru divdesmit tonnas uz kubikmetru, tad produkts darbosies tā, kā tam vajadzētu būt tikai par divdesmit trīs procentiem labāk nekā betona kubs, kas sver divarpus tonnas.

Kura viela ir vispiemērotākā siltuma uzglabāšanai?

labākais produkts siltuma akumulatoram vispār nav betons un ķieģelis! Varš, bronza un dzelzs to dara labu darbu, taču tie ir ļoti smagi. Savādi, bet labākais siltuma akumulators ir ūdens! Šķidrumam ir iespaidīga siltumietilpība, lielākā no mums pieejamajām vielām. Lielāka siltumietilpība ir tikai hēlija gāzēm (5190 J / (kg K) un ūdeņradim (14300 J / (kg K)), taču tās ir problemātiski pielietot praksē. Ja vēlaties un vajag, skatiet vielu siltumietilpības tabulu tev vajag.

Tagad iepazīstināsim ar ļoti svarīgu termodinamisko raksturlielumu, ko sauc siltuma jauda sistēmas(tradicionāli apzīmē ar burtu Ar ar dažādiem indeksiem).

Siltuma jauda - vērtība piedeva, tas ir atkarīgs no vielas daudzuma sistēmā. Tāpēc arī iepazīstinām īpašs karstums

Īpašs karstums ir vielas masas vienības siltumietilpība

un molārā siltuma jauda

Molārā siltuma jauda ir viena mola vielas siltumietilpība

Tā kā siltuma daudzums nav stāvokļa funkcija un ir atkarīgs no procesa, siltuma jauda būs atkarīga arī no tā, kā siltums tiek piegādāts sistēmai. Lai to saprastu, atcerēsimies pirmo termodinamikas likumu. Vienlīdzības dalīšana ( 2.4) uz absolūtās temperatūras elementāru pieaugumu dT, mēs iegūstam attiecību

Otrais termiņš, kā mēs redzējām, ir atkarīgs no procesa veida. Mēs atzīmējam, ka vispārējā neideālas sistēmas gadījumā, kuras daļiņu (molekulu, atomu, jonu utt.) mijiedarbību nevar atstāt novārtā (skat., piemēram, 2.5. § zemāk, kurā aplūkota van der Vālsa gāze). , iekšējā enerģija ir atkarīga ne tikai no temperatūras, bet arī no sistēmas tilpuma. Tas izskaidrojams ar to, ka mijiedarbības enerģija ir atkarīga no attāluma starp mijiedarbībā esošajām daļiņām. Mainoties sistēmas tilpumam, mainās daļiņu koncentrācija, attiecīgi mainās vidējais attālums starp tām un tā rezultātā mainās mijiedarbības enerģija un visa sistēmas iekšējā enerģija. Citiem vārdiem sakot, vispārējā neideālas sistēmas gadījumā

Tāpēc vispārīgā gadījumā pirmo terminu nevar rakstīt kā kopējo atvasinājumu, kopējais atvasinājums ir jāaizstāj ar daļēju atvasinājumu, papildus norādot konstanto vērtību, pie kuras tas tiek aprēķināts. Piemēram, izohoriskam procesam:

Vai izobariskam procesam

Šajā izteiksmē iekļautais daļējais atvasinājums tiek aprēķināts, izmantojot sistēmas stāvokļa vienādojumu, kas uzrakstīts kā . Piemēram, konkrētajā ideālās gāzes gadījumā

šis atvasinājums ir

Mēs izskatīsim divus īpašus gadījumus, kas atbilst siltumapgādes procesam:

nemainīgs tilpums;
pastāvīgs spiediens sistēmā.

Pirmajā gadījumā strādājiet dА = 0 un mēs iegūstam siltuma jaudu C V ideāla gāze nemainīgā tilpumā:

Ņemot vērā iepriekš izdarīto atrunu, neideālai sistēmas relācijai (2.19) ir jāraksta šādā formā vispārējs skats

Nomaiņa iekšā 2.7, un tālāk mēs uzreiz saņemam:

Lai aprēķinātu ideālās gāzes siltumietilpību Ar p pastāvīgā spiedienā ( dp=0) ņemam vērā, ka no vienādojuma ( 2.8) seko izteiksmei elementāram darbam ar bezgalīgi mazām temperatūras izmaiņām

Mēs nonākam beigās

Izdalot šo vienādojumu ar vielas molu skaitu sistēmā, iegūstam līdzīgu attiecību molārajām siltumietilpībām pie nemainīga tilpuma un spiediena, t.s. Majera koeficients

Uzziņai vispārējā formula- patvaļīgai sistēmai - savieno izohorisko un izobarisko siltuma jaudu:

Izteiksmes (2.20) un (2.21) iegūst no šīs formulas, aizstājot tajā izteiksmi iekšējā enerģija ideāla gāze un izmantojot viņa stāvokļa vienādojumu (skatīt iepriekš):

Noteiktas vielas masas siltumietilpība nemainīgā spiedienā ir lielāka par siltumietilpību nemainīgā tilpumā, jo daļa no ievadītās enerģijas tiek tērēta darba veikšanai un tai pašai apkurei ir nepieciešams vairāk siltuma. Ņemiet vērā, ka no (2.21.) izriet fiziskā nozīme gāzes konstante:

Tādējādi siltuma jauda izrādās atkarīga ne tikai no vielas veida, bet arī no apstākļiem, kādos notiek temperatūras maiņas process.

Kā redzam, ideālas gāzes izohoriskās un izobāriskās siltumietilpības nav atkarīgas no gāzes temperatūras, reālām vielām šīs siltumietilpības, vispārīgi runājot, ir atkarīgas arī no pašas temperatūras. T.

Ideālas gāzes izohorisko un izobarisko siltumietilpību var iegūt arī tieši no vispārīgās definīcijas, izmantojot iepriekš iegūtās formulas ( 2.7) un (2.10 ) siltuma daudzumam, ko šajos procesos iegūst ideāla gāze.

Izohoriskam procesam izteiksme par C V izriet no ( 2.7):

Izobāriskajam procesam izteiksme par C lpp izriet no (2.10):

Priekš molārās siltuma jaudas līdz ar to tiek iegūtas šādas izteiksmes

Siltuma jaudu attiecība ir vienāda ar adiabātisko indeksu:

Termodinamiskajā līmenī skaitlisko vērtību nav iespējams paredzēt g; mums tas izdevās, tikai ņemot vērā sistēmas mikroskopiskās īpašības (skat. izteiksmi (1.19 ), kā arī () 1.28) gāzu maisījumam). No formulām (1.19) un (2.24) izriet teorētiskas prognozes par gāzu molārām siltumietilpībām un adiabātisku eksponentu.

Monatomiskās gāzes (i = 3):

Divatomiskās gāzes (i = 5):

Poliatomiskās gāzes (i = 6):

Eksperimentālie dati par dažādas vielas ir parādīti 1. tabulā.

1. tabula

Viela			g

Tas ir skaidrs vienkāršs modelis ideālās gāzes kopumā diezgan labi raksturo reālu gāzu īpašības. Ņemiet vērā, ka vienošanās tika iegūta, neņemot vērā gāzes molekulu vibrācijas brīvības pakāpes.

Mēs esam norādījuši arī dažu metālu molārās siltumietilpības vērtības telpas temperatūra. Ja iedomājies kristāla režģis metāls kā sakārtots cietu lodīšu komplekts, kas ar atsperēm savienots ar blakus esošajām bumbiņām, tad katra daļiņa var svārstīties tikai trīs virzienos ( es saskaitu = 3), un katra šāda brīvības pakāpe ir saistīta ar kinētiku k V T/2 un tā pati potenciālā enerģija. Tāpēc kristāla daļiņai ir iekšējā (oscilācijas) enerģija k V T. Reizinot ar Avogadro skaitli, iegūstam viena mola iekšējo enerģiju

no kurienes rodas molārās siltumietilpības vērtība

(Cieto vielu mazā termiskās izplešanās koeficienta dēļ tās neatšķiras ar p un c v). Iepriekš minēto sakarību attiecībā uz cieto vielu molāro siltumietilpību sauc Dulonga un Petita likums, un tabulā parādīta laba atbilstība aprēķinātajai vērtībai

ar eksperimentu.

Runājot par labo sakritību starp iepriekšminētajām attiecībām un eksperimentālajiem datiem, jāatzīmē, ka tas tiek novērots tikai noteiktā temperatūras diapazonā. Citiem vārdiem sakot, sistēmas siltuma jauda ir atkarīga no temperatūras, un formulas (2.24) ir ierobežotas. Vispirms apsveriet att. 2.10, kas parāda siltumietilpības eksperimentālo atkarību ar televizoruūdeņraža gāze no absolūtās temperatūras T.

Rīsi. 2.10. Gāzveida ūdeņraža Н2 molārā siltumietilpība nemainīgā tilpumā kā temperatūras funkcija (eksperimentālie dati)

Zemāk īsuma labad mēs runājam par noteiktu brīvības pakāpju neesamību molekulās noteiktos temperatūras diapazonos. Vēlreiz atgādinām, ka patiesībā mēs runājam par sekojošo. Kvantu iemeslu dēļ relatīvais ieguldījums gāzes iekšējā enerģijā noteikti veidi kustība patiešām ir atkarīga no temperatūras un noteiktos temperatūras intervālos var būt tik maza, ka eksperimentā - vienmēr veicot ar ierobežotu precizitāti - tā ir neredzama. Eksperimenta rezultāts izskatās tā, it kā šie kustības veidi nepastāvētu un nebūtu atbilstošu brīvības pakāpju. Brīvības pakāpju skaitu un raksturu nosaka molekulas struktūra un mūsu telpas trīsdimensionalitāte – tās nevar būt atkarīgas no temperatūras.

Ieguldījums iekšējā enerģijā ir atkarīgs no temperatūras un var būt neliels.

Pie zemākas temperatūras 100 K siltuma jauda

kas norāda uz to, ka molekulā nav gan rotācijas, gan vibrācijas brīvības pakāpes. Turklāt, palielinoties temperatūrai, siltuma jauda strauji palielinās līdz klasiskajai vērtībai

raksturīga diatomiskā molekula ar stingru savienojumu, kurā nav vibrācijas brīvības pakāpes. Pie temperatūras virs 2000 K siltuma jauda atklāj jaunu lēcienu uz vērtību

Šis rezultāts norāda arī uz vibrācijas brīvības pakāpju parādīšanos. Bet tas viss joprojām izskatās neizskaidrojams. Kāpēc molekula nevar griezties zemā temperatūrā? Un kāpēc vibrācijas molekulā rodas tikai ļoti augstā temperatūrā? Iepriekšējā nodaļā tika sniegta īsa kvalitatīva diskusija par šīs uzvedības kvantu cēloņiem. Un tagad mēs varam tikai atkārtot, ka viss ir saistīts ar specifiskām kvantu parādībām, kuras nevar izskaidrot no klasiskās fizikas viedokļa. Šīs parādības ir detalizēti aplūkotas turpmākajās kursa sadaļās.

Papildus informācija

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - 236. lpp. - Tabula ar raksturīgām "ieslēgšanās" temperatūrām vibrācijas un rotācijas brīvības pakāpes molekulām dažām specifiskām gāzēm;

Tagad pievērsīsimies att. 2.11, kas attēlo trīs molāro siltumietilpību atkarību ķīmiskie elementi(kristāli) uz temperatūru. Augstā temperatūrā visām trim līknēm ir tendence uz vienādu vērtību

kas atbilst Dulong un Petit likumam. Svinam (Pb) un dzelzs (Fe) šī ierobežojošā siltumietilpība praktiski piemīt jau istabas temperatūrā.

Rīsi. 2.11. Trīs ķīmisko elementu - svina, dzelzs un oglekļa (dimanta) - molārās siltumietilpības atkarība no temperatūras

Dimantam (C) šī temperatūra vēl nav pietiekami augsta. Un zemā temperatūrā visas trīs līknes parāda ievērojamu novirzi no Dulong un Petit likuma. Šī ir vēl viena matērijas kvantu īpašību izpausme. Klasiskā fizika izrādās bezspēcīga, lai izskaidrotu daudzas zemās temperatūrās novērotās likumsakarības.

Papildus informācija

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Ievads molekulārajā fizikā un termodinamikā, Ed. IL, 1962 - 106.-107.lpp., I daļa, 12.§ - elektronu devums metālu siltumietilpībā absolūtai nullei tuvās temperatūrās;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm — Perelmans Ya.I. Vai tu zini fiziku? Bibliotēka "Kvants", 82. numurs, Zinātne, 1992. gads. Lappuse 132, 137. jautājums: kuriem ķermeņiem ir vislielākā siltumietilpība (sk. atbildi 151. lpp.);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm — Perelmans Ya.I. Vai tu zini fiziku? Bibliotēka "Kvants", 82. numurs, Zinātne, 1992. gads. Lappuse 132, 135. jautājums: par ūdens sildīšanu trīs stāvokļos - cietā, šķidrā un tvaikā (atbildi sk. 151. lpp.);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html — fiziskā enciklopēdija. Kalorimetrija. Aprakstītas siltuma jaudu mērīšanas metodes.

Šodienas nodarbībā iepazīstināsim ar tādu fizikālu jēdzienu kā vielas īpatnējā siltumietilpība. Mēs zinām, ka tas ir atkarīgs no ķīmiskās īpašības vielām, un tā vērtība, kas atrodama tabulās, dažādām vielām ir atšķirīga. Pēc tam uzzināsim mērvienības un formulu īpatnējās siltumietilpības noteikšanai, kā arī uzzināsim, kā analizēt vielu termiskās īpašības pēc to īpatnējās siltumietilpības vērtības.

Kalorimetrs(no lat. kalorijas- silts un metrs- mērs) - ierīce izdalītā vai absorbētā siltuma daudzuma mērīšanai jebkurā fizikālā, ķīmiskā vai bioloģiskā procesā. Terminu "kalorimetrs" ierosināja A. Lavuazjē un P. Laplass.

Kalorimetrs sastāv no vāka, iekšējā un ārējā stikla. Kalorimetra konstrukcijā ir ļoti svarīgi, lai starp mazākajiem un lielākajiem traukiem būtu gaisa slānis, kas zemās siltumvadītspējas dēļ nodrošina sliktu siltuma pārnesi starp saturu un ārējo vidi. Šis dizains ļauj uzskatīt kalorimetru par sava veida termosu un praktiski atbrīvoties no efektiem ārējā vide par siltuma pārneses procesu norisi kalorimetrā.

Kalorimetrs paredzēts precīzākiem ķermeņu īpatnējo siltumietilpību un citu termisko parametru mērījumiem, nekā norādīts tabulā.

komentēt. Svarīgi atzīmēt, ka tādu jēdzienu kā siltuma daudzums, ko lietojam ļoti bieži, nevajadzētu jaukt ar ķermeņa iekšējo enerģiju. Siltuma daudzums precīzi nosaka iekšējās enerģijas izmaiņas, nevis tās īpašo vērtību.

Ievērojiet, ka dažādu vielu īpatnējā siltumietilpība ir atšķirīga, ko var redzēt tabulā (3. att.). Piemēram, zeltam ir noteikta siltuma jauda. Kā jau esam norādījuši iepriekš, šīs īpatnējās siltumietilpības fiziskā nozīme nozīmē, ka, lai 1 kg zelta uzsildītu par 1 °C, tas ir jāpavada ar 130 J siltuma (5. att.).

Rīsi. 5. Zelta īpatnējā siltumietilpība

Nākamajā nodarbībā mēs apspriedīsim, kā aprēķināt siltuma daudzumu.

Sarakstsliteratūra

Gendenšteins L.E., Kaidalovs A.B., Koževņikovs V.B. / Red. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosīns.
Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustards, 2010.
Fadejeva A.A., Zasovs A.V., Kiseļevs D.F. Fizika 8. - M.: Apgaismība.