Specyficzna pojemność cieplna substancji wynosi. Specyficzna pojemność cieplna: definicja, wartości, przykłady

Woda to jedna z najbardziej niesamowitych substancji. Mimo szerokie zastosowanie i wszechobecne użytkowanie, to prawdziwa tajemnica natury. Będąc jednym ze związków tlenu, wydawałoby się, że woda powinna mieć bardzo niskie właściwości, takie jak zamarzanie, ciepło parowania itp. Ale tak się nie dzieje. Mimo wszystko pojemność cieplna samej wody jest niezwykle wysoka.

Woda jest w stanie wchłonąć ogromną ilość ciepła, a sama praktycznie się nie nagrzewa - to jest jej fizyczna cecha. woda jest około pięciokrotnie wyższa niż pojemność cieplna piasku i dziesięciokrotnie wyższa niż żelazo. Dlatego woda jest naturalnym chłodziwem. Jego zdolność do akumulacji duża liczba energia pozwala wygładzić wahania temperatury na powierzchni Ziemi i regulować reżim termiczny na całej planecie, a dzieje się to niezależnie od pory roku.

To jest unikalna nieruchomość woda pozwala na stosowanie jej jako czynnika chłodniczego w przemyśle i życiu codziennym. Ponadto woda jest powszechnie dostępnym i stosunkowo tanim surowcem.

Co oznacza pojemność cieplna? Jak wiadomo z przebiegu termodynamiki, wymiana ciepła zachodzi zawsze od gorącego do zimnego ciała. W której rozmawiamy o przejściu pewnej ilości ciepła, a temperatura obu ciał, będąca cechą ich stanu, wskazuje kierunek tej wymiany. W procesie tworzenia metalowego korpusu z wodą o jednakowej masie w tych samych początkowych temperaturach metal zmienia swoją temperaturę kilkakrotnie bardziej niż woda.

Jeśli jako postulat przyjmiemy główne stwierdzenie termodynamiki - z dwóch ciał (odizolowanych od innych), podczas wymiany ciepła jedno się wydziela, a drugie otrzymuje równą ilość ciepła, to staje się jasne, że metal i woda mają zupełnie inne ciepło zdolności.

Zatem pojemność cieplna wody (jak również dowolnej substancji) jest wskaźnikiem charakteryzującym zdolność danej substancji do oddawania (lub odbierania) niektórych podczas chłodzenia (ogrzewania) na jednostkę temperatury.

Właściwa pojemność cieplna substancji to ilość ciepła potrzebna do podgrzania jednostki tej substancji (1 kilogram) o 1 stopień.

Ilość ciepła wydzielonego lub pochłoniętego przez ciało jest równa iloczynowi ciepła właściwego, masy i różnicy temperatur. Jest mierzony w kaloriach. Jedna kaloria to dokładnie tyle ciepła, ile wystarczy do podgrzania 1 g wody o 1 stopień. Dla porównania: ciepło właściwe powietrza wynosi 0,24 cal/g ∙°C, aluminium 0,22, żelazo 0,11, a rtęć 0,03.

Pojemność cieplna wody nie jest stała. Wraz ze wzrostem temperatury od 0 do 40 stopni nieznacznie spada (z 1,0074 do 0,9980), podczas gdy dla wszystkich innych substancji ta charakterystyka wzrasta podczas ogrzewania. Ponadto może zmniejszać się wraz ze wzrostem ciśnienia (na głębokości).

Jak wiadomo, woda ma trzy stany skupienia - ciekły, stały (lód) i gazowy (para). Jednocześnie ciepło właściwe lodu jest około 2 razy mniejsze niż wody. Jest to główna różnica między wodą a innymi substancjami, których właściwa pojemność cieplna w stanie stałym i stopionym nie zmienia się. Jaki jest tutaj sekret?

Faktem jest, że lód ma strukturę krystaliczną, która nie zapada się natychmiast po podgrzaniu. Woda zawiera małe cząsteczki lodu, które składają się z kilku cząsteczek i nazywane są asocjatorami. Gdy woda jest podgrzewana, część zużywa się na zniszczenie wiązań wodorowych w tych formacjach. To wyjaśnia niezwykle wysoką pojemność cieplną wody. Wiązania między jego cząsteczkami ulegają całkowitemu zniszczeniu dopiero wtedy, gdy woda przechodzi w parę.

Ciepło właściwe w temperaturze 100°C prawie nie różni się od pojemności lodu w temperaturze 0°C, co po raz kolejny potwierdza słuszność tego wyjaśnienia. Pojemność cieplna pary, podobnie jak pojemność cieplna lodu, jest obecnie znacznie lepiej poznana niż wody, co do której naukowcy nie osiągnęli jeszcze konsensusu.

Każdy uczeń spotyka się na lekcjach fizyki z takim pojęciem jak „właściwa pojemność cieplna”. W większości przypadków ludzie zapominają o szkolnej definicji i często w ogóle nie rozumieją znaczenia tego terminu. Na uczelniach technicznych większość studentów prędzej czy później się zetknie ciepło właściwe. Być może w ramach nauki fizyki, a może ktoś będzie miał taką dyscyplinę jak „ciepłownia” lub „termodynamika techniczna”. W takim przypadku musisz pamiętać program nauczania. Poniżej znajduje się definicja, przykłady, znaczenia niektórych substancji.

Definicja

Ciepło właściwe to wielkość fizyczna, która charakteryzuje, ile ciepła należy dostarczyć do jednostki substancji lub usunąć z jednostki substancji, aby jej temperatura zmieniła się o jeden stopień. Ważne jest, aby anulować, że nie ma znaczenia, stopnie Celsjusza, Kelvina i Fahrenheita, najważniejsze jest zmiana temperatury na jednostkę.

Ciepło właściwe ma własną jednostkę miary - in międzynarodowy system jednostki (SI) - dżul podzielony przez iloczyn kilograma i stopnia Kelvina, J / (kg K); jednostka pozasystemowa to stosunek kalorii do iloczynu kilograma i stopnia Celsjusza, cal/(kg °C). Wartość ta jest najczęściej oznaczana literą c lub C, czasami stosuje się indeksy. Na przykład, jeśli ciśnienie jest stałe, to indeks wynosi p, a jeśli objętość jest stała, to v.

Wariacje definicji

Kilka sformułowań definicji omawianego wielkość fizyczna. Oprócz powyższego za dopuszczalną uważa się definicję, która mówi, że ciepło właściwe jest stosunkiem wartości pojemności cieplnej substancji do jej masy. W takim przypadku konieczne jest jasne zrozumienie, czym jest „pojemność cieplna”. Tak więc pojemność cieplna nazywana jest wielkością fizyczną, która pokazuje, ile ciepła musi zostać doprowadzone do ciała (substancji) lub usunięte, aby zmienić wartość jego temperatury o jeden. Ciepło właściwe masy substancji większej niż kilogram określa się w taki sam sposób, jak dla pojedynczej wartości.

Kilka przykładów i znaczeń różnych substancji

Doświadczalnie stwierdzono, że dla różne substancje to znaczenie jest inne. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4,187 kJ/(kg K). Bardzo bardzo ważne z tej wielkości fizycznej dla wodoru wynosi 14.300 kJ / (kg K), najmniejsza dla złota wynosi 0,129 kJ / (kg K). Jeśli potrzebujesz wartości dla określonej substancji, musisz wziąć książkę referencyjną i znaleźć odpowiednie tabele, a w nich wartości, które Cię interesują. Jednakże nowoczesne technologie pozwalają czasami przyspieszyć proces wyszukiwania - wystarczy na dowolnym telefonie, który ma możliwość wejścia do sieci WWW, wpisać interesujące pytanie w pasku wyszukiwania, rozpocząć wyszukiwanie i poszukać odpowiedzi na podstawie wyników . W większości przypadków musisz kliknąć pierwszy link. Czasami jednak w ogóle nie trzeba jechać nigdzie indziej - in krótki opis informacja pokazuje odpowiedź na pytanie.

Najczęstszymi substancjami, dla których poszukuje się pojemności cieplnej, w tym ciepła właściwego, są:

powietrze (suche) - 1.005 kJ/(kg K),
aluminium - 0,930 kJ/(kg K),
miedź - 0,385 kJ/(kg K),
etanol - 2,460 kJ/(kg K),
żelazo - 0,444 kJ/(kg K),
rtęć - 0,139 kJ/(kg K),
tlen - 0,920 kJ/(kg K),
drewno - 1700 kJ/(kg K),
piasek - 0,835 kJ/(kg K).

Pojemność cieplna to zdolność do pochłaniania pewnej ilości ciepła podczas ogrzewania lub oddawania go po schłodzeniu. Pojemność cieplna ciała to stosunek nieskończenie małej ilości ciepła, które ciało otrzymuje do odpowiedniego wzrostu jego wskaźników temperatury. Wartość mierzona jest w J/K. W praktyce stosuje się nieco inną wartość - ciepło właściwe.

Definicja

Co oznacza właściwa pojemność cieplna? Jest to ilość związana z pojedynczą ilością substancji. W związku z tym ilość substancji można mierzyć w metrach sześciennych, kilogramach, a nawet w molach. Od czego to zależy? W fizyce pojemność cieplna zależy bezpośrednio od jednostki ilościowej, której dotyczy, co oznacza, że rozróżnia się pojemność cieplną molową, masową i objętościową. W branży budowlanej nie spotkasz się z pomiarami zębów trzonowych, ale z innymi – cały czas.

Co wpływa na pojemność cieplną właściwą?

Wiesz, jaka jest pojemność cieplna, ale jakie wartości wpływają na wskaźnik, nie jest jeszcze jasne. Na wartość ciepła właściwego ma bezpośredni wpływ kilka składników: temperatura substancji, ciśnienie i inne właściwości termodynamiczne.

Wraz ze wzrostem temperatury produktu wzrasta jego właściwa pojemność cieplna, jednak niektóre substancje różnią się w tej zależności całkowicie nieliniową krzywą. Na przykład, wraz ze wzrostem wskaźników temperatury od zera do trzydziestu siedmiu stopni, właściwa pojemność cieplna wody zaczyna się zmniejszać, a jeśli granica wynosi od trzydziestu siedmiu do stu stopni, to wskaźnik wręcz przeciwnie zwiększyć.

Warto zauważyć, że parametr zależy również od tego, jak mogą zmienić się właściwości termodynamiczne produktu (ciśnienie, objętość itp.). Na przykład ciepło właściwe przy stabilnym ciśnieniu i przy stałej objętości będzie inne.

Jak obliczyć parametr?

Interesuje Cię jaka jest pojemność cieplna? Wzór obliczeniowy jest następujący: C \u003d Q / (m ΔT). Jakie są te wartości? Q to ilość ciepła, które produkt otrzymuje po podgrzaniu (lub uwalniane przez produkt podczas chłodzenia). m jest masą produktu, a ΔT jest różnicą między końcową a początkową temperaturą produktu. Poniżej znajduje się tabela pojemności cieplnej niektórych materiałów.

Co można powiedzieć o obliczaniu pojemności cieplnej?

Obliczenie pojemności cieplnej nie jest łatwym zadaniem, zwłaszcza jeśli stosuje się tylko metody termodynamiczne, nie da się tego zrobić dokładniej. Dlatego fizycy posługują się metodami fizyki statystycznej lub znajomością mikrostruktury produktów. Jak obliczyć za gaz? Pojemność cieplna gazu jest obliczana na podstawie obliczenia średniej energii ruchu termicznego poszczególnych cząsteczek w substancji. Ruchy cząsteczek mogą mieć charakter translacyjny i rotacyjny, a wewnątrz cząsteczki może znajdować się cały atom lub drgania atomów. Statystyka klasyczna mówi, że dla każdego stopnia swobody ruchów obrotowych i translacyjnych istnieje wartość molowa, która jest równa R/2, a dla każdego stopnia swobody wibracyjnej wartość jest równa R. Reguła ta jest również nazywana prawo ekwipartycji.

W tym przypadku cząsteczka gazu jednoatomowego różni się tylko trzema translacyjnymi stopniami swobody, a zatem jej pojemność cieplna powinna być równa 3R/2, co doskonale zgadza się z eksperymentem. Każda cząsteczka gazu dwuatomowego ma trzy stopnie swobody translacyjne, dwa rotacyjne i jeden wibracyjny, co oznacza, że prawo ekwipartycji będzie wynosić 7R/2, a doświadczenie pokazało, że pojemność cieplna mola gazu dwuatomowego w zwykłej temperaturze wynosi 5R/ 2. Dlaczego w teorii była taka rozbieżność? Wynika to z faktu, że przy ustalaniu pojemności cieplnej konieczne będzie uwzględnienie różnych efekty kwantowe innymi słowy, użyj statystyki kwantowej. Jak widać, pojemność cieplna to dość skomplikowana koncepcja.

Mechanika kwantowa mówi, że każdy układ cząstek, które oscylują lub obracają się, w tym cząsteczka gazu, może mieć pewne dyskretne wartości energii. Jeżeli energia ruchu termicznego w zainstalowany system jest niewystarczające do wzbudzenia oscylacji o wymaganej częstotliwości, to oscylacje te nie wpływają na pojemność cieplną układu.

W ciała stałe Oh ruch termiczny atomy to słabe fluktuacje w pobliżu pewnych pozycji równowagi, dotyczy to węzłów sieci krystalicznej. Atom ma trzy wibracyjne stopnie swobody i zgodnie z prawem molowa pojemność cieplna ciała stałego jest równa 3nR, gdzie n to liczba atomów obecnych w cząsteczce. W praktyce wartość ta jest granicą, do której przy wysokich temperaturach dąży pojemność cieplna organizmu. Wartość osiąga się przy normalnych zmianach temperatury w wielu pierwiastkach, dotyczy to metali, a także prostych związków. Określana jest również pojemność cieplna ołowiu i innych substancji.

Co można powiedzieć o niskich temperaturach?

Wiemy już, co to jest pojemność cieplna, ale skoro o tym mówimy niskie temperatury, to jak wtedy zostanie obliczona wartość? Jeśli mówimy o wskaźnikach niskich temperatur, to pojemność cieplna ciała stałego okazuje się proporcjonalna T 3 lub tzw. prawo pojemności cieplnej Debye'a. Główne kryterium wyróżnienia wysoka wydajność temperatury od niskich, jest zwykłe porównanie je z parametrem charakterystycznym dla danej substancji - może to być charakterystyka lub temperatura Debye'a q D . Prezentowana wartość jest wyznaczona przez widmo drgań atomów w produkcie i zależy w znacznym stopniu od struktury krystalicznej.

W metalach elektrony przewodzące mają pewien wkład w pojemność cieplną. Ta część pojemności cieplnej jest obliczana za pomocą statystyki Fermi-Diraca, która uwzględnia elektrony. Elektroniczna pojemność cieplna metalu, która jest proporcjonalna do zwykłej pojemności cieplnej, jest wartością stosunkowo małą i przyczynia się do pojemności cieplnej metalu tylko w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Wtedy pojemność cieplna sieci staje się bardzo mała i można ją pominąć.

Masowa pojemność cieplna

Ciepło właściwe masy to ilość ciepła, która musi zostać doprowadzona do jednostki masy substancji w celu podgrzania produktu na jednostkę temperatury. Ta wartość jest oznaczona literą C i jest mierzona w dżulach podzielonych przez kilogram na kelwin - J / (kg K). To wszystko, co dotyczy pojemności cieplnej masy.

Jaka jest wolumetryczna pojemność cieplna?

Objętościowa pojemność cieplna to pewna ilość ciepła, którą należy doprowadzić do jednostki objętości produkcji, aby ją ogrzać na jednostkę temperatury. Jest mierzony w dżulach podzielonych przez metr sześcienny na kelwin lub J / (m³ K). W wielu podręcznikach budowlanych brana jest pod uwagę właściwa pojemność cieplna w pracy.

Praktyczne zastosowanie pojemności cieplnej w budownictwie

Wiele materiałów energochłonnych jest aktywnie wykorzystywanych do budowy ścian żaroodpornych. Jest to niezwykle ważne w przypadku domów, które charakteryzują się okresowym ogrzewaniem. Na przykład piekarnik. Produkty energochłonne i zbudowane z nich ściany doskonale akumulują ciepło, przechowują je w okresach grzewczych i stopniowo oddają ciepło po wyłączeniu systemu, dzięki czemu można utrzymać akceptowalną temperaturę przez cały dzień.

Im więcej ciepła jest magazynowane w konstrukcji, tym bardziej komfortowa i stabilna będzie temperatura w pomieszczeniach.

Należy zauważyć, że zwykła cegła i beton stosowane w budownictwie mieszkaniowym mają znacznie niższą pojemność cieplną niż styropian. Jeśli weźmiemy ecowool, to jest trzy razy bardziej energochłonny niż beton. Należy zauważyć, że we wzorze na obliczenie pojemności cieplnej nie na próżno jest masa. Ze względu na dużą masę betonu czy cegły, w porównaniu z ecowool, pozwala na akumulowanie ogromnych ilości ciepła w kamiennych ścianach konstrukcji i niwelowanie wszelkich dobowych wahań temperatury. W sumie tylko niewielka masa izolacji domy szkieletowe mimo dobrej pojemności cieplnej jest najsłabszą strefą dla wszystkich technologie ramowe. Rozwiązać ten problem we wszystkich domach zainstalowano imponujące akumulatory ciepła. Co to jest? Są to elementy konstrukcyjne, które charakteryzują się dużą masą przy dość dobrym wskaźniku pojemności cieplnej.

Przykłady akumulatorów ciepła w życiu

Co to mogło być? Na przykład niektóre wewnętrzne ceglane ściany, duży piec lub kominek, wylewki betonowe.

Meble w każdym domu lub mieszkaniu są doskonałym akumulatorem ciepła, ponieważ sklejka, płyta wiórowa i drewno mogą w rzeczywistości magazynować ciepło tylko na kilogram wagi trzy razy więcej niż osławiona cegła.

Czy są jakieś wady magazynowania termicznego? Oczywiście główną wadą tego podejścia jest konieczność zaprojektowania akumulatora ciepła na etapie tworzenia układu. dom szkieletowy. Wynika to z faktu, że jest bardzo ciężki i trzeba to wziąć pod uwagę przy tworzeniu fundamentu, a następnie wyobraź sobie, jak ten obiekt zostanie zintegrowany z wnętrzem. Warto powiedzieć, że należy wziąć pod uwagę nie tylko masę, w pracy trzeba będzie ocenić obie cechy: masę i pojemność cieplną. Na przykład, jeśli użyjesz złota o niewiarygodnej wadze dwudziestu ton na metr sześcienny jako magazynu ciepła, produkt będzie działał tak, jak powinien, tylko o dwadzieścia trzy procent lepiej niż kostka betonowa, która waży dwie i pół tony.

Która substancja najlepiej nadaje się do przechowywania ciepła?

najlepszy produkt bo akumulator ciepła wcale nie jest betonem i cegłą! Miedź, brąz i żelazo dobrze sobie z tym radzą, ale są bardzo ciężkie. Co dziwne, ale najlepszym akumulatorem ciepła jest woda! Płyn ma imponującą pojemność cieplną, największą spośród dostępnych nam substancji. Jedynie gazy hel (5190 J / (kg K) i wodór (14300 J / (kg K)) mają większą pojemność cieplną, ale są problematyczne w zastosowaniu w praktyce.Jeśli chcesz i potrzebujesz, zobacz tabelę pojemności cieplnej substancji potrzebujesz.

Wprowadźmy teraz bardzo ważną charakterystykę termodynamiczną zwaną pojemność cieplna systemy(tradycyjnie oznaczane literą Z z różnymi indeksami).

Pojemność cieplna - wartość przyłączeniowy, zależy to od ilości substancji w systemie. Dlatego też wprowadzamy ciepło właściwe

Ciepło właściwe pojemność cieplna na jednostkę masy substancji

oraz molowa pojemność cieplna

Molowa pojemność cieplna to pojemność cieplna jednego mola substancji

Ponieważ ilość ciepła nie jest funkcją stanu i zależy od procesu, pojemność cieplna będzie również zależeć od sposobu dostarczania ciepła do systemu. Aby to zrozumieć, przypomnijmy sobie pierwszą zasadę termodynamiki. Dzieląc równość ( 2.4) na elementarny przyrost temperatury bezwzględnej dT, otrzymujemy stosunek

Drugi termin, jak widzieliśmy, zależy od rodzaju procesu. Zauważamy, że w ogólnym przypadku układu nieidealnego, którego oddziaływania cząstek (cząsteczek, atomów, jonów itp.) nie można pominąć (patrz na przykład § 2.5 poniżej, w którym rozważany jest gaz van der Waalsa) , energia wewnętrzna zależy nie tylko od temperatury, ale także od objętości układu. Wyjaśnia to fakt, że energia interakcji zależy od odległości między oddziałującymi cząstkami. Gdy zmienia się objętość układu, zmienia się odpowiednio koncentracja cząstek, zmienia się średnia odległość między nimi, a w rezultacie zmienia się energia oddziaływania i cała energia wewnętrzna układu. Innymi słowy, w ogólnym przypadku systemu nieidealnego

Dlatego w ogólnym przypadku pierwszego wyrazu nie można zapisać jako pochodnej całkowitej, pochodną całkowitą należy zastąpić pochodną cząstkową z dodatkowym wskazaniem wartości stałej, przy której jest obliczana. Na przykład dla procesu izochorycznego:

Lub dla procesu izobarycznego

Pochodna cząstkowa zawarta w tym wyrażeniu jest obliczana z równania stanu układu, zapisanego jako . Na przykład w szczególnym przypadku gazu doskonałego

ta pochodna to

Rozważymy dwa szczególne przypadki odpowiadające procesowi dostarczania ciepła:

stała objętość;
stałe ciśnienie w układzie.

W pierwszym przypadku praca dА = 0 i otrzymujemy pojemność cieplną C V gaz idealny przy stałej objętości:

Biorąc pod uwagę powyższe zastrzeżenie, dla nieidealnej relacji systemowej (2.19) należy zapisać w postaci: ogólny widok

Wymiana w 2.7 on i on od razu otrzymujemy:

Aby obliczyć pojemność cieplną gazu doskonałego z p przy stałym ciśnieniu ( dp=0) bierzemy pod uwagę, że z równania ( 2.8) następuje po wyrażeniu na pracę elementarną z nieskończenie małą zmianą temperatury

Dostajemy w końcu

Dzieląc to równanie przez liczbę moli substancji w układzie, otrzymujemy podobną zależność dla molowych pojemności cieplnych przy stałej objętości i ciśnieniu, zwaną stosunek Mayera

Na przykład ogólna formuła- dla dowolnego układu - łączenie izochorycznej i izobarycznej pojemności cieplnej:

Wyrażenia (2.20) i (2.21) otrzymuje się z tego wzoru przez podstawienie do niego wyrażenia na energia wewnętrzna gaz doskonały i używając swojego równania stanu (patrz wyżej):

Pojemność cieplna danej masy materii przy stałym ciśnieniu jest większa niż pojemność cieplna przy stałej objętości, ponieważ część energii wejściowej jest zużywana na wykonanie pracy i przy tym samym ogrzewaniu wymagane jest więcej ciepła. Zauważ, że z (2.21) wynika to fizyczne znaczenie stała gazowa:

Zatem pojemność cieplna okazuje się zależeć nie tylko od rodzaju substancji, ale także od warunków, w jakich zachodzi proces zmiany temperatury.

Jak widać, izochoryczna i izobaryczna pojemność cieplna gazu doskonałego nie zależy od temperatury gazu, w przypadku substancji rzeczywistych te pojemności cieplne zależą, ogólnie rzecz biorąc, także od samej temperatury. T.

Izochoryczną i izobaryczną pojemność cieplną gazu doskonałego można również uzyskać bezpośrednio z ogólnej definicji, stosując wzory otrzymane powyżej ( 2.7) i (2.10 ) dla ilości ciepła uzyskanego przez gaz doskonały w tych procesach.

Dla procesu izochorycznego wyrażenie for C V wynika z ( 2.7):

Dla procesu izobarycznego wyrażenie for C p wynika z (2.10):

Do molowe pojemności cieplne stąd otrzymujemy następujące wyrażenia:

Stosunek pojemności cieplnych jest równy indeksowi adiabatycznemu:

Na poziomie termodynamicznym nie można przewidzieć wartości liczbowej g; udało nam się to zrobić tylko biorąc pod uwagę mikroskopijne właściwości układu (patrz wyrażenie (1.19 ), a także ( 1.28) dla mieszaniny gazów). Ze wzorów (1.19) i (2.24) wynikają przewidywania teoretyczne dla molowych pojemności cieplnych gazów i wykładnika adiabatycznego.

Gazy jednoatomowe (ja = 3):

Gazy dwuatomowe (ja = 5):

Gazy wieloatomowe (ja = 6):

Dane eksperymentalne dla różne substancje pokazano w tabeli 1.

Tabela 1

Substancja			g

Jest oczywiste, że prosty model gazy idealne ogólnie dość dobrze opisuje właściwości gazów rzeczywistych. Należy zauważyć, że porozumienie uzyskano bez uwzględnienia wibracyjnych stopni swobody cząsteczek gazu.

Podaliśmy również wartości molowej pojemności cieplnej niektórych metali przy temperatura pokojowa. Jeśli sobie wyobrażasz sieci krystalicznej metal jako uporządkowany zestaw solidnych kulek połączonych sprężynami z sąsiednimi kulkami, wtedy każda cząstka może oscylować tylko w trzech kierunkach ( liczę = 3), a każdy taki stopień swobody jest związany z kinetycznym k V T/2 i taką samą energię potencjalną. Dlatego cząsteczka kryształu ma energię wewnętrzną (oscylacyjną) k V T. Mnożąc przez liczbę Avogadro, otrzymujemy energię wewnętrzną jednego mola

skąd pochodzi wartość molowej pojemności cieplnej

(Ze względu na mały współczynnik rozszerzalności cieplnej ciał stałych nie wyróżniają się) z oraz c v). Powyższa zależność na molową pojemność cieplną ciał stałych nazywa się prawo Dulonga i Petita, a tabela pokazuje dobre dopasowanie obliczonej wartości

z eksperymentem.

Mówiąc o dobrej zgodności powyższych stosunków z danymi eksperymentalnymi, należy zauważyć, że obserwuje się je tylko w pewnym zakresie temperatur. Innymi słowy, pojemność cieplna układu zależy od temperatury, a wzory (2.24) mają ograniczony zakres. Rozważ pierwszą ryc. 2.10, który pokazuje eksperymentalną zależność pojemności cieplnej z TV gazowy wodór z temperatury bezwzględnej T.

Ryż. 2.10. Molowa pojemność cieplna wodoru 2 przy stałej objętości w funkcji temperatury (dane eksperymentalne)

Poniżej, dla zwięzłości, mówimy o braku pewnych stopni swobody w cząsteczkach w pewnych zakresach temperatur. Jeszcze raz przypominamy, że tak naprawdę mówimy o następujących. Ze względów kwantowych względny udział w energii wewnętrznej gazu pewne rodzaje ruch tak naprawdę zależy od temperatury iw pewnych przedziałach temperatury może być tak mały, że w eksperymencie - zawsze wykonywanym ze skończoną dokładnością - jest niewidoczny. Wynik eksperymentu wygląda tak, jakby tego rodzaju ruchy nie istniały i nie ma odpowiadających im stopni swobody. O liczbie i charakterze stopni swobody decyduje budowa cząsteczki i trójwymiarowość naszej przestrzeni - nie mogą one zależeć od temperatury.

Udział energii wewnętrznej zależy od temperatury i może być niewielki.

W temperaturach poniżej 100 tys pojemność cieplna

co wskazuje na brak zarówno rotacyjnych, jak i wibracyjnych stopni swobody w cząsteczce. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury pojemność cieplna gwałtownie wzrasta do wartości klasycznej

Charakterystyka cząsteczka dwuatomowa ze sztywnym połączeniem, w którym nie ma wibracyjnych stopni swobody. W temperaturach powyżej 2000 tys pojemność cieplna odkrywa nowy skok do wartości

Ten wynik wskazuje również na pojawienie się wibracyjnych stopni swobody. Ale to wszystko nadal wygląda na niewytłumaczalne. Dlaczego cząsteczka nie może się obracać w niskich temperaturach? A dlaczego drgania w cząsteczce występują tylko w bardzo wysokich temperaturach? W poprzednim rozdziale podano krótkie jakościowe omówienie przyczyn kwantowych takiego zachowania. A teraz możemy tylko powtórzyć, że cała sprawa sprowadza się do specyficznych zjawisk kwantowych, których nie da się wyjaśnić z punktu widzenia fizyki klasycznej. Zjawiska te zostaną szczegółowo omówione w kolejnych częściach kursu.

Dodatkowe informacje

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - s. 236 - tabela charakterystycznych temperatur „włączenia” oscylacyjnych i obrotowych stopni swobody cząsteczek dla niektórych określonych gazów;

Przejdźmy teraz do ryc. 2.11, reprezentujący zależność molowych pojemności cieplnych trzech pierwiastki chemiczne(kryształy) na temperaturę. W wysokich temperaturach wszystkie trzy krzywe mają tę samą wartość

odpowiada prawu Dulonga i Petita. Ołów (Pb) i żelazo (Fe) mają praktycznie tę graniczną pojemność cieplną już w temperaturze pokojowej.

Ryż. 2.11. Zależność molowej pojemności cieplnej dla trzech pierwiastków chemicznych - kryształów ołowiu, żelaza i węgla (diamentu) - od temperatury

W przypadku diamentu (C) ta temperatura nie jest jeszcze wystarczająco wysoka. A w niskich temperaturach wszystkie trzy krzywe wykazują znaczne odchylenie od prawa Dulonga i Petita. To kolejny przejaw kwantowych właściwości materii. Fizyka klasyczna okazuje się bezsilna w wyjaśnianiu wielu prawidłowości obserwowanych w niskich temperaturach.

Dodatkowe informacje

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Wprowadzenie do fizyki molekularnej i termodynamiki, wyd. IL, 1962 – s. 106–107, cz. I, § 12 – udział elektronów w pojemności cieplnej metali w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Czy znasz fizykę? Biblioteka "Quantum", nr 82, Science, 1992. Strona 132, pyt. 137: które ciała mają największą pojemność cieplną (patrz odpowiedź na s. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Czy znasz fizykę? Biblioteka "Quantum", nr 82, Science, 1992. Strona 132, pyt. 135: o podgrzewaniu wody w trzech stanach - stałym, ciekłym i parowym (patrz odpowiedź na s. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - fizyczna encyklopedia. Kalorymetria. Opisano metody pomiaru pojemności cieplnych.

W dzisiejszej lekcji przedstawimy takie pojęcie fizyczne, jak ciepło właściwe substancji. Wiemy, że to zależy od właściwości chemiczne substancji, a jego wartość, którą można znaleźć w tabelach, jest różna dla różnych substancji. Następnie poznamy jednostki miary i wzór na wyznaczenie pojemności cieplnej właściwej, a także nauczymy się analizować właściwości cieplne substancji przez wartość ich pojemności cieplnej właściwej.

Kalorymetr(od łac. kalorie- ciepło i metor- miara) - urządzenie do pomiaru ilości ciepła uwalnianego lub pochłanianego w dowolnym procesie fizycznym, chemicznym lub biologicznym. Termin „kalorymetr” zaproponowali A. Lavoisier i P. Laplace.

Kalorymetr składa się z osłony, szyby wewnętrznej i zewnętrznej. W konstrukcji kalorymetru bardzo ważne jest, aby pomiędzy mniejszym i większym naczyniem znajdowała się warstwa powietrza, która ze względu na niską przewodność cieplną zapewnia słabą wymianę ciepła pomiędzy zawartością a środowiskiem zewnętrznym. Taka konstrukcja pozwala traktować kalorymetr jako rodzaj termosu i praktycznie pozbyć się efektów otoczenie zewnętrzne o przebiegu procesów wymiany ciepła wewnątrz kalorymetru.

Kalorymetr przeznaczony jest do dokładniejszych pomiarów pojemności cieplnych właściwych i innych parametrów cieplnych ciał niż podano w tabeli.

Komentarz. Należy zauważyć, że takiego pojęcia jak ilość ciepła, z którego bardzo często korzystamy, nie należy mylić z energią wewnętrzną organizmu. Ilość ciepła determinuje dokładnie zmianę energii wewnętrznej, a nie jej konkretną wartość.

Należy zauważyć, że właściwa pojemność cieplna różnych substancji jest różna, co można zobaczyć w tabeli (ryc. 3). Na przykład złoto ma określoną pojemność cieplną. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, fizyczne znaczenie tej pojemności cieplnej oznacza, że aby ogrzać 1 kg złota o 1°C, trzeba do niego dostarczyć 130 J ciepła (rys. 5).

Ryż. 5. Ciepło właściwe złota

W następnej lekcji omówimy, jak obliczyć ilość ciepła.

Listaliteratura

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Wyd. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizyka 8. - M.: Mnemosyne.
Peryshkin A.V. Fizyka 8. - M.: Drop, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizyka 8. - M.: Oświecenie.