Capacitatea termică specifică a unei substanțe este. Capacitate termică specifică: definiție, valori, exemple

Apa este una dintre cele mai uimitoare substanțe. În ciuda utilizare largăși de utilizare omniprezentă, este un adevărat mister al naturii. Fiind unul dintre compușii oxigenului, s-ar părea că apa ar trebui să aibă caracteristici foarte scăzute, cum ar fi înghețarea, căldura de vaporizare etc. Dar acest lucru nu se întâmplă. Numai capacitatea de căldură a apei, în ciuda tuturor, este extrem de mare.

Apa este capabilă să absoarbă o cantitate imensă de căldură, în timp ce ea însăși practic nu se încălzește - aceasta este caracteristica sa fizică. apa este de aproximativ cinci ori mai mare decât capacitatea termică a nisipului și de zece ori mai mare decât fierul. Prin urmare, apa este un lichid de răcire natural. Capacitatea sa de a acumula un numar mare de energia vă permite să atenuați fluctuațiile de temperatură de pe suprafața Pământului și să reglați regimul termic pe întreaga planetă, iar acest lucru se întâmplă indiferent de perioada anului.

Acest proprietate unică apa îi permite să fie folosit ca agent frigorific în industrie și în viața de zi cu zi. În plus, apa este o materie primă disponibilă pe scară largă și relativ ieftină.

Ce se înțelege prin capacitate termică? După cum se știe din cursul termodinamicii, transferul de căldură are loc întotdeauna de la un corp cald la unul rece. în care vorbim despre trecerea unei anumite cantități de căldură, iar temperatura ambelor corpuri, fiind o caracteristică a stării lor, arată direcția acestui schimb. În procesul unui corp metalic cu apă de masă egală la aceleași temperaturi inițiale, metalul își schimbă temperatura de câteva ori mai mult decât apa.

Dacă luăm ca postulat principala afirmație a termodinamicii - din două corpuri (izolate de altele), în timpul schimbului de căldură, unul degajă, iar celălalt primește o cantitate egală de căldură, atunci devine clar că metalul și apa au căldură complet diferită. capacități.

Astfel, capacitatea de căldură a apei (precum și a oricărei substanțe) este un indicator care caracterizează capacitatea unei anumite substanțe de a da (sau de a primi) ceva în timpul răcirii (încălzirii) per unitate de temperatură.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o unitate a acestei substanțe (1 kilogram) cu 1 grad.

Cantitatea de căldură eliberată sau absorbită de un corp este egală cu produsul dintre capacitatea termică specifică, masa și diferența de temperatură. Se măsoară în calorii. O calorie este exact cantitatea de căldură care este suficientă pentru a încălzi 1 g de apă cu 1 grad. Pentru comparație: capacitatea termică specifică a aerului este de 0,24 cal/g ∙°C, aluminiul este de 0,22, fierul este de 0,11 și mercurul este de 0,03.

Capacitatea termică a apei nu este o constantă. Cu o creștere a temperaturii de la 0 la 40 de grade, aceasta scade ușor (de la 1,0074 la 0,9980), în timp ce pentru toate celelalte substanțe această caracteristică crește în timpul încălzirii. În plus, poate scădea odată cu creșterea presiunii (la adâncime).

După cum știți, apa are trei stări de agregare - lichidă, solidă (gheață) și gazoasă (abur). În același timp, capacitatea termică specifică a gheții este de aproximativ 2 ori mai mică decât cea a apei. Aceasta este principala diferență între apă și alte substanțe, a căror capacitate termică specifică în stare solidă și topită nu se modifică. Care este secretul aici?

Faptul este că gheața are o structură cristalină, care nu se prăbușește imediat când este încălzită. Apa conține particule mici de gheață, care constau din mai multe molecule și sunt numite asociate. Când apa este încălzită, o parte este cheltuită pentru distrugerea legăturilor de hidrogen din aceste formațiuni. Aceasta explică capacitatea termică neobișnuit de mare a apei. Legăturile dintre moleculele sale sunt complet distruse numai atunci când apa trece în abur.

Capacitatea termică specifică la o temperatură de 100 ° C aproape nu diferă de cea a gheții la 0 ° C. Acest lucru confirmă încă o dată corectitudinea acestei explicații. Capacitatea termică a aburului, ca și capacitatea termică a gheții, este acum mult mai bine înțeleasă decât cea a apei, asupra căreia oamenii de știință nu au ajuns încă la un consens.

Fiecare școlar se întâlnește la lecțiile de fizică cu un concept precum „capacitate termică specifică”. În cele mai multe cazuri, oamenii uită definiția școlii și adesea nu înțeleg deloc sensul acestui termen. În universitățile tehnice, majoritatea studenților se vor întâlni mai devreme sau mai târziu căldura specifică. Poate, ca parte a studiului fizicii, sau poate cineva va avea o astfel de disciplină precum „ingineria termică” sau „termodinamica tehnică”. În acest caz, trebuie să vă amintiți curiculumul scolar. Deci, mai jos este definiția, exemplele, semnificațiile pentru unele substanțe.

Definiție

Capacitatea termică specifică este o mărime fizică care caracterizează cantitatea de căldură care trebuie furnizată unei unități de substanță sau îndepărtată dintr-o unitate a unei substanțe pentru ca temperatura acesteia să se schimbe cu un grad. Este important să anulați că nu contează, grade Celsius, Kelvin și Fahrenheit, principalul lucru este schimbarea temperaturii pe unitate.

Capacitatea termică specifică are propria unitate de măsură - in sistem international unități (SI) - Joule împărțit la produsul unui kilogram și al unui grad Kelvin, J / (kg K); unitatea în afara sistemului este raportul dintre o calorie și produsul unui kilogram și un grad Celsius, cal/(kg °C). Această valoare este cel mai adesea notă cu litera c sau C, uneori se folosesc indici. De exemplu, dacă presiunea este constantă, atunci indicele este p, iar dacă volumul este constant, atunci v.

Variații de definiție

Mai multe formulări ale definiției celor discutate cantitate fizica. În plus față de cele de mai sus, este considerată acceptabilă o definiție, care afirmă că capacitatea termică specifică este raportul dintre valoarea capacității termice a unei substanțe și masa acesteia. În acest caz, este necesar să înțelegeți clar ce este „capacitatea de căldură”. Deci, capacitatea termică se numește o cantitate fizică care arată cât de multă căldură trebuie adusă corpului (substanță) sau îndepărtată pentru a modifica valoarea temperaturii acestuia cu una. Capacitatea termică specifică a unei mase a unei substanțe mai mare de un kilogram se determină în același mod ca pentru o singură valoare.

Câteva exemple și semnificații pentru diferite substanțe

S-a constatat experimental că pt diferite substanțe acest sens este diferit. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4,187 kJ/(kg K). Cel mai mare importanță din această cantitate fizică pentru hidrogen este de 14,300 kJ / (kg K), cea mai mică pentru aur este de 0,129 kJ / (kg K). Dacă aveți nevoie de o valoare pentru o anumită substanță, atunci trebuie să luați o carte de referință și să găsiți tabelele corespunzătoare, iar în ele - valorile care vă interesează. dar tehnologii moderne vă permit să accelerați procesul de căutare uneori - este suficient pe orice telefon care are opțiunea de a intra pe World Wide Web, introduceți întrebarea de interes în bara de căutare, începeți căutarea și căutați răspunsul pe baza rezultatelor . În cele mai multe cazuri, trebuie să faceți clic pe primul link. Cu toate acestea, uneori nu trebuie să mergeți în altă parte - în scurta descriere informațiile arată răspunsul la întrebare.

Cele mai comune substanțe pentru care se caută capacitatea termică, inclusiv căldura specifică, sunt:

aer (uscat) - 1,005 kJ / (kg K),
aluminiu - 0,930 kJ / (kg K),
cupru - 0,385 kJ / (kg K),
etanol - 2.460 kJ / (kg K),
fier - 0,444 kJ / (kg K),
mercur - 0,139 kJ / (kg K),
oxigen - 0,920 kJ / (kg K),
lemn - 1.700 kJ/(kg K),
nisip - 0,835 kJ/(kg K).

Capacitatea de căldură este capacitatea de a absorbi o anumită cantitate de căldură în timpul încălzirii sau de a o degaja atunci când este răcită. Capacitatea termică a unui corp este raportul dintre o cantitate infinitezimală de căldură pe care o primește un corp și creșterea corespunzătoare a indicatorilor săi de temperatură. Valoarea este măsurată în J/K. În practică, se utilizează o valoare ușor diferită - capacitatea termică specifică.

Definiție

Ce înseamnă capacitatea termică specifică? Aceasta este o cantitate legată de o singură cantitate de substanță. În consecință, cantitatea unei substanțe poate fi măsurată în metri cubi, kilograme sau chiar în moli. De ce depinde? În fizică, capacitatea termică depinde direct de unitatea cantitativă la care se referă, ceea ce înseamnă că se disting între capacitatea termică molară, de masă și volumetrică. În industria construcțiilor, nu vă veți întâlni cu măsurători molare, ci cu alții - tot timpul.

Ce afectează capacitatea termică specifică?

Știți ce este capacitatea de căldură, dar ce valori afectează indicatorul nu este încă clar. Valoarea capacității termice specifice este direct afectată de mai multe componente: temperatura substanței, presiunea și alte caracteristici termodinamice.

Pe măsură ce temperatura produsului crește, capacitatea sa de căldură specifică crește, totuși, anumite substanțe diferă într-o curbă complet neliniară în această dependență. De exemplu, cu o creștere a indicatorilor de temperatură de la zero la treizeci și șapte de grade, capacitatea termică specifică a apei începe să scadă, iar dacă limita este între treizeci și șapte și o sută de grade, atunci indicatorul, dimpotrivă, va crește.

Este demn de remarcat faptul că parametrul depinde și de modul în care caracteristicile termodinamice ale produsului (presiune, volum și așa mai departe) pot să se modifice. De exemplu, căldura specifică la o presiune stabilă și la un volum stabil va fi diferită.

Cum se calculează parametrul?

Te interesează care este capacitatea termică? Formula de calcul este următoarea: C \u003d Q / (m ΔT). Care sunt aceste valori? Q este cantitatea de căldură pe care o primește produsul atunci când este încălzit (sau eliberată de produs în timpul răcirii). m este masa produsului, iar ΔT este diferența dintre temperaturile finale și inițiale ale produsului. Mai jos este un tabel cu capacitatea termică a unor materiale.

Ce se poate spune despre calculul capacității termice?

Calcularea capacității termice nu este o sarcină ușoară, mai ales dacă se folosesc doar metode termodinamice, este imposibil să o faceți mai precis. Prin urmare, fizicienii folosesc metodele fizicii statistice sau cunoașterea microstructurii produselor. Cum se calculează pentru gaz? Capacitatea termică a unui gaz se calculează din calculul energiei medii a mișcării termice a moleculelor individuale dintr-o substanță. Mișcările moleculelor pot fi de tip translațional și rotațional, iar în interiorul unei molecule poate exista un întreg atom sau vibrație de atomi. Statistica clasică spune că pentru fiecare grad de libertate al mișcărilor de rotație și translație, există o valoare molară, care este egală cu R / 2, iar pentru fiecare grad de libertate de vibrație, valoarea este egală cu R. Această regulă se mai numește și legea echipartitiei.

În acest caz, o particulă dintr-un gaz monoatomic diferă doar cu trei grade de libertate de translație și, prin urmare, capacitatea sa de căldură ar trebui să fie egală cu 3R/2, ceea ce este în acord excelent cu experimentul. Fiecare moleculă de gaz biatomic are trei grade de translație, două de rotație și unul de vibrație, ceea ce înseamnă că legea echipartiției va fi 7R/2, iar experiența a arătat că capacitatea termică a unui mol de gaz biatomic la temperatura obișnuită este de 5R/ 2. De ce a existat o asemenea discrepanță în teorie? Acest lucru se datorează faptului că la stabilirea capacității termice, va fi necesar să se țină cont de diferite efecte cuantice cu alte cuvinte, folosiți statisticile cuantice. După cum puteți vedea, capacitatea termică este un concept destul de complicat.

Mecanica cuantică spune că orice sistem de particule care oscilează sau se rotește, inclusiv o moleculă de gaz, poate avea anumite valori de energie discrete. Dacă energia mișcării termice în sistem instalat este insuficientă pentru a excita oscilații cu frecvența necesară, atunci aceste oscilații nu contribuie la capacitatea termică a sistemului.

ÎN solide Oh mișcarea termică atomi este o fluctuație slabă în apropierea anumitor poziții de echilibru, acest lucru se aplică nodurilor rețelei cristaline. Un atom are trei grade de libertate de vibrație și, conform legii, capacitatea de căldură molară a unui corp solid este egală cu 3nR, unde n este numărul de atomi prezenți în moleculă. În practică, această valoare este limita la care tinde capacitatea termică a corpului la temperaturi ridicate. Valoarea este atinsă cu schimbări normale de temperatură în multe elemente, acest lucru se aplică metalelor, precum și compușilor simpli. Se determină și capacitatea termică a plumbului și a altor substanțe.

Ce se poate spune despre temperaturi scăzute?

Știm deja ce este capacitatea termică, dar dacă vorbim despre temperaturi scăzute, atunci cum va fi calculată valoarea atunci? Dacă vorbim de indicatori de temperatură scăzută, atunci capacitatea de căldură a unui corp solid se dovedește a fi proporțională T 3 sau așa-numita lege a lui Debye a capacității termice. Principalul criteriu de distincție performanta ridicata temperaturi de la joase, este comparație obișnuită ele cu un parametru caracteristic unei anumite substanțe - aceasta poate fi caracteristica sau temperatura Debye q D . Valoarea prezentată este stabilită de spectrul de vibrații al atomilor din produs și depinde în mod semnificativ de structura cristalină.

În metale, electronii de conducție au o anumită contribuție la capacitatea termică. Această parte a capacității termice este calculată folosind statisticile Fermi-Dirac, care ia în considerare electronii. Capacitatea termică electronică a unui metal, care este proporțională cu capacitatea termică obișnuită, este o valoare relativ mică și contribuie la capacitatea termică a metalului doar la temperaturi apropiate de zero absolut. Apoi capacitatea de căldură a rețelei devine foarte mică și poate fi neglijată.

Capacitate termică de masă

Capacitatea termică specifică de masă este cantitatea de căldură care trebuie adusă la o unitate de masă a unei substanțe pentru a încălzi produsul pe unitate de temperatură. Această valoare este notă cu litera C și se măsoară în jouli împărțit la un kilogram pe kelvin - J / (kg K). Acesta este tot ceea ce privește capacitatea termică a masei.

Ce este capacitatea termică volumetrică?

Capacitatea termică volumetrică este o anumită cantitate de căldură care trebuie adusă la o unitate de volum de producție pentru a o încălzi pe unitate de temperatură. Se măsoară în jouli împărțit la metru cub pe kelvin sau J / (m³ K). În multe cărți de referință pentru clădiri, este luată în considerare capacitatea de căldură specifică masei în muncă.

Aplicarea practică a capacității termice în industria construcțiilor

Multe materiale cu căldură intensivă sunt utilizate în mod activ în construcția pereților rezistenți la căldură. Acest lucru este extrem de important pentru casele care se caracterizează prin încălzire periodică. De exemplu, cuptorul. Produsele cu căldură intensă și pereții construiți din acestea acumulează perfect căldura, o stochează în timpul perioadelor de încălzire și eliberează treptat căldură după ce sistemul este oprit, permițându-vă astfel să mențineți o temperatură acceptabilă pe tot parcursul zilei.

Deci, cu cât se depozitează mai multă căldură în structură, cu atât temperatura din încăperi va fi mai confortabilă și mai stabilă.

Trebuie remarcat faptul că cărămida și betonul obișnuit utilizate în construcția de locuințe au o capacitate termică semnificativ mai mică decât polistirenul expandat. Dacă luăm ecowool, atunci consumă de trei ori mai mult căldură decât betonul. Trebuie remarcat faptul că în formula de calcul a capacității termice, nu în zadar există masă. Datorită masei mari uriașe de beton sau cărămidă, în comparație cu ecowool, permite acumularea de cantități uriașe de căldură în pereții de piatră ai structurilor și netezirea tuturor fluctuațiilor zilnice de temperatură. Doar o masă mică de izolație în total case cu cadru, în ciuda capacității sale bune de căldură, este cea mai slabă zonă pentru toți tehnologii de cadru. A rezolva această problemă, în toate casele sunt instalate acumulatoare de căldură impresionante. Ce este? Acestea sunt părți structurale care se caracterizează printr-o masă mare cu un indice de capacitate termică destul de bun.

Exemple de acumulatori de căldură în viață

Ce ar putea fi? De exemplu, unele interne pereti de caramida, o sobă mare sau șemineu, șape de beton.

Mobilierul din orice casă sau apartament este un excelent acumulator de căldură, deoarece placajul, PAL și lemnul pot stoca de fapt căldură doar pe kilogram de greutate de trei ori mai mult decât faimoasa cărămidă.

Există dezavantaje în stocarea termică? Desigur, principalul dezavantaj al acestei abordări este că acumulatorul de căldură trebuie proiectat în etapa creării unui aspect. casă cu cadru. Totul datorită faptului că este foarte greu, iar acest lucru va trebui să fie luat în considerare la crearea fundației și apoi imaginați-vă cum va fi integrat acest obiect în interior. Merită spus că este necesar să se ia în considerare nu numai masa, va fi necesar să se evalueze ambele caracteristici în lucrare: masa și capacitatea termică. De exemplu, dacă folosiți aur cu o greutate incredibilă de douăzeci de tone pe metru cub ca depozit de căldură, atunci produsul va funcționa așa cum ar trebui cu doar douăzeci și trei la sută mai bine decât un cub de beton, care cântărește două tone și jumătate.

Care substanță este cea mai potrivită pentru stocarea căldurii?

cel mai bun produs pentru un acumulator de caldura nu este deloc beton si caramida! Cuprul, bronzul și fierul fac o treabă bună în acest sens, dar sunt foarte grele. Destul de ciudat, dar cel mai bun acumulator de căldură este apa! Lichidul are o capacitate termică impresionantă, cea mai mare dintre substanțele pe care le avem la dispoziție. Doar gazele de heliu (5190 J / (kg K) și hidrogenul (14300 J / (kg K)) au o capacitate termică mai mare, dar sunt problematic de aplicat în practică. Dacă doriți și aveți nevoie, consultați tabelul capacității termice a substanțelor ai nevoie.

Să introducem acum o caracteristică termodinamică foarte importantă numită capacitate termică sisteme(notat în mod tradițional prin litera DIN cu indici diferiti).

Capacitate termică - valoare aditiv, depinde de cantitatea de substanță din sistem. Prin urmare, vă prezentăm și noi căldura specifică

Căldura specifică este capacitatea termică pe unitatea de masă a unei substanțe

Și capacitatea de căldură molară

Capacitate de căldură molară este capacitatea termică a unui mol dintr-o substanță

Deoarece cantitatea de căldură nu este o funcție de stare și depinde de proces, capacitatea de căldură va depinde și de modul în care căldura este furnizată sistemului. Pentru a înțelege acest lucru, să ne amintim prima lege a termodinamicii. Împărțirea egalității ( 2.4) pe increment elementar de temperatură absolută dT, obținem raportul

Al doilea termen, după cum am văzut, depinde de tipul de proces. Remarcăm că în cazul general al unui sistem neideal, interacțiunea ale cărui particule (molecule, atomi, ioni etc.) nu poate fi neglijată (vezi, de exemplu, § 2.5 de mai jos, în care se ia în considerare gazul van der Waals) , energia internă depinde nu numai de temperatură, ci și de volumul sistemului. Acest lucru se explică prin faptul că energia de interacțiune depinde de distanța dintre particulele care interacționează. Când se modifică volumul sistemului, se modifică concentrația particulelor, respectiv se modifică distanța medie dintre ele și, ca urmare, se modifică energia de interacțiune și întreaga energie internă a sistemului. Cu alte cuvinte, în cazul general al unui sistem neideal

Prin urmare, în cazul general, primul termen nu poate fi scris ca o derivată totală, derivata totală trebuie înlocuită cu o derivată parțială cu o indicație suplimentară a valorii constante la care este calculată. De exemplu, pentru un proces izocor:

Sau pentru un proces izobaric

Derivata parțială inclusă în această expresie este calculată folosind ecuația de stare a sistemului, scrisă ca . De exemplu, în cazul particular al unui gaz ideal

acest derivat este

Vom lua în considerare două cazuri speciale corespunzătoare procesului de alimentare cu căldură:

volum constant;
presiune constantă în sistem.

În primul caz, munca dА = 0și obținem capacitatea de căldură CV gaz ideal la volum constant:

Ținând cont de rezerva făcută mai sus, pentru o relație sistem neideală (2.19) trebuie scrisă în forma următoare vedere generala

Înlocuirea în 2.7 pe , și pe , obținem imediat:

Pentru a calcula capacitatea termică a unui gaz ideal Cu p la presiune constantă ( dp=0) ținem cont că din ecuația ( 2.8) urmează expresia pentru lucru elementar cu o modificare infinitezimală a temperaturii

Ajungem până la urmă

Împărțind această ecuație la numărul de moli ai unei substanțe din sistem, obținem o relație similară pentru capacitățile de căldură molare la volum și presiune constante, numită Raportul lui Mayer

Pentru trimitere formula generala- pentru un sistem arbitrar - conectarea capacităților termice izocorice și izobare:

Expresiile (2.20) și (2.21) se obțin din această formulă prin substituirea în ea a expresiei pentru energie interna gaz ideal și folosind ecuația sa de stare (vezi mai sus):

Capacitatea termică a unei mase date de materie la presiune constantă este mai mare decât capacitatea termică la volum constant, deoarece o parte din energia de intrare este cheltuită pentru a lucra și pentru aceeași încălzire este necesară mai multă căldură. Rețineți că din (2.21) rezultă sens fizic constanta de gaz:

Astfel, capacitatea termică se dovedește a depinde nu numai de tipul de substanță, ci și de condițiile în care are loc procesul de schimbare a temperaturii.

După cum se poate observa, capacitățile termice izocorice și izobare ale unui gaz ideal nu depind de temperatura gazului; pentru substanțele reale, aceste capacități termice depind, în general, și de temperatura însăși. T.

Capacitatile termice izocorice si izobare ale unui gaz ideal pot fi obtinute si direct din definitia generala, daca folosim formulele obtinute mai sus ( 2.7) și (2.10 ) pentru cantitatea de căldură obținută de un gaz ideal în aceste procese.

Pentru un proces izocor, expresia for CV decurge din ( 2.7):

Pentru un proces izobaric, expresia for C p rezultă din (2.10):

Pentru capacitati termice molare deci se obţin următoarele expresii

Raportul capacităților termice este egal cu indicele adiabatic:

La nivel termodinamic, este imposibil de prezis valoarea numerică g; am reușit să facem acest lucru doar luând în considerare proprietățile microscopice ale sistemului (vezi expresia (1.19 ), precum și ( 1.28) pentru un amestec de gaze). Din formulele (1.19) și (2.24), urmează predicții teoretice pentru capacitățile de căldură molare ale gazelor și exponentul adiabatic.

Gaze monoatomice (i = 3):

Gaze diatomice (i = 5):

Gaze poliatomice (i = 6):

Date experimentale pentru diverse substante sunt prezentate în tabelul 1.

tabelul 1

Substanţă			g

Este clar că model simplu gaze ideale descrie în general destul de bine proprietățile gazelor reale. Rețineți că acordul a fost obținut fără a lua în considerare gradele de libertate vibraționale ale moleculelor de gaz.

Am dat, de asemenea, valorile capacității molare de căldură a unor metale la temperatura camerei. Dacă vă imaginați rețea cristalină metal ca un set ordonat de bile solide legate prin arcuri de bile învecinate, atunci fiecare particulă poate oscila doar în trei direcții ( Numar = 3), iar fiecare astfel de grad de libertate este asociat cu o cinetică k V T/2și aceeași energie potențială. Prin urmare, o particulă de cristal are o energie internă (oscilativă). k V T.Înmulțind cu numărul Avogadro, obținem energia internă a unui mol

de unde provine valoarea capacităţii termice molare

(Datorită coeficientului mic de dilatare termică a solidelor, acestea nu se disting cu pȘi CV). Relația de mai sus pentru capacitatea de căldură molară a solidelor se numește legea lui Dulong și Petit, iar tabelul arată o potrivire bună a valorii calculate

cu experiment.

Apropo de un bun acord între rapoartele de mai sus și datele experimentale, trebuie remarcat faptul că se observă doar într-un anumit interval de temperatură. Cu alte cuvinte, capacitatea termică a sistemului depinde de temperatură, iar formulele (2.24) au un domeniu limitat. Luați în considerare mai întâi Fig. 2.10, care arată dependența experimentală a capacității termice cu televizor hidrogen gazos de la temperatura absolută T.

Orez. 2.10. Capacitatea termică molară a hidrogenului gazos Н2 la volum constant în funcție de temperatură (date experimentale)

Mai jos, pentru concizie, vorbim despre absența anumitor grade de libertate în molecule în anumite intervale de temperatură. Încă o dată, ne amintim că vorbim de fapt despre următoarele. Din motive cuantice, contribuția relativă la energia internă a unui gaz anumite tipuri mișcarea depinde într-adevăr de temperatură și în anumite intervale de temperatură poate fi atât de mică încât în experiment - realizat întotdeauna cu o precizie finită - este invizibilă. Rezultatul experimentului arată ca și cum aceste tipuri de mișcare nu există și nu există grade de libertate corespunzătoare. Numărul și natura gradelor de libertate sunt determinate de structura moleculei și de tridimensionalitatea spațiului nostru - nu pot depinde de temperatură.

Contribuția la energia internă depinde de temperatură și poate fi mică.

La temperaturi sub 100 K capacitate termică

ceea ce indică absența gradelor de libertate atât de rotație cât și de vibrație în moleculă. În plus, odată cu creșterea temperaturii, capacitatea termică crește rapid până la valoarea clasică

caracteristic de moleculă diatomică cu o legătură rigidă, în care nu există grade vibraționale de libertate. La temperaturi peste 2000 K capacitatea termică descoperă un nou salt la valoare

Acest rezultat indică, de asemenea, apariția unor grade de libertate vibraționale. Dar toate acestea par încă inexplicabile. De ce nu se poate roti o moleculă la temperaturi scăzute? Și de ce vibrațiile într-o moleculă apar doar la temperaturi foarte ridicate? În capitolul anterior a fost făcută o scurtă discuție calitativă a motivelor cuantice ale acestui comportament. Și acum nu putem decât să repetăm că totul se reduce la fenomene specific cuantice care nu pot fi explicate din punctul de vedere al fizicii clasice. Aceste fenomene sunt discutate în detaliu în secțiunile ulterioare ale cursului.

informatii suplimentare

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Manual de fizică, știință, 1977 - p. 236 - tabel cu temperaturile caracteristice de „pornire” ale gradelor de libertate vibraționale și rotaționale ale moleculelor pentru unele gaze specifice;

Să trecem acum la fig. 2.11, reprezentând dependența capacităților termice molare a trei elemente chimice(cristale) pe temperatură. La temperaturi ridicate, toate cele trei curbe tind la aceeași valoare

corespunzătoare legii Dulong şi Petit. Plumbul (Pb) și fierul (Fe) au practic această capacitate de căldură limită deja la temperatura camerei.

Orez. 2.11. Dependența capacității de căldură molară pentru trei elemente chimice - cristale de plumb, fier și carbon (diamant) - de temperatură

Pentru diamant (C), această temperatură nu este încă suficient de ridicată. Și la temperaturi scăzute, toate cele trei curbe arată o abatere semnificativă de la legea Dulong și Petit. Aceasta este o altă manifestare a proprietăților cuantice ale materiei. Fizica clasică se dovedește a fi neputincioasă să explice multe regularități observate la temperaturi scăzute.

informatii suplimentare

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Introducere în fizica moleculară și termodinamică, Ed. IL, 1962 - p. 106–107, partea I, § 12 - contribuția electronilor la capacitatea termică a metalelor la temperaturi apropiate de zero absolut;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Stii fizica? Biblioteca „Quantum”, numărul 82, Știință, 1992. Pagină 132, întrebarea 137: care corpuri au cea mai mare capacitate termică (vezi răspunsul de la p. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Stii fizica? Biblioteca „Quantum”, numărul 82, Știință, 1992. Pagină 132, întrebarea 135: despre încălzirea apei în trei stări - solid, lichid și vapori (vezi răspunsul la p. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - enciclopedie fizică. Calorimetrie. Sunt descrise metode de măsurare a capacităților termice.

În lecția de astăzi, vom introduce un astfel de concept fizic precum capacitatea termică specifică a unei substanțe. Știm că depinde de proprietăți chimice substanțe, iar valoarea acesteia, care poate fi găsită în tabele, este diferită pentru diferite substanțe. Apoi vom afla unitățile de măsură și formula pentru găsirea capacității termice specifice și, de asemenea, vom învăța cum să analizăm proprietățile termice ale substanțelor prin valoarea capacității lor termice specifice.

Calorimetru(din lat. calorii- cald și metor- măsură) - un dispozitiv pentru măsurarea cantității de căldură eliberată sau absorbită în orice proces fizic, chimic sau biologic. Termenul de „calorimetru” a fost propus de A. Lavoisier și P. Laplace.

Calorimetrul este format dintr-un capac, sticla interioara si externa. Este foarte important în proiectarea calorimetrului să existe un strat de aer între vasele mai mici și mai mari, care, datorită conductivității termice scăzute, asigură un transfer slab de căldură între conținut și mediul extern. Acest design face posibil să se considere calorimetrul ca un fel de termos și să scape practic de efecte Mediul extern pe parcursul proceselor de transfer de căldură din interiorul calorimetrului.

Calorimetrul este destinat măsurătorilor mai precise ale capacităților termice specifice și ale altor parametri termici ai corpurilor decât cele indicate în tabel.

Cometariu. Este important de menționat că un astfel de concept precum cantitatea de căldură, pe care o folosim foarte des, nu trebuie confundat cu energia internă a corpului. Cantitatea de căldură determină exact modificarea energiei interne, și nu valoarea ei specifică.

Rețineți că capacitatea termică specifică a diferitelor substanțe este diferită, ceea ce poate fi văzut din tabel (Fig. 3). De exemplu, aurul are o capacitate termică specifică. După cum am subliniat deja mai devreme, semnificația fizică a acestei capacități termice specifice înseamnă că, pentru a încălzi 1 kg de aur cu 1 °C, acesta trebuie să fie alimentat cu 130 J de căldură (Fig. 5).

Orez. 5. Capacitatea termică specifică a aurului

În lecția următoare, vom discuta cum să calculăm cantitatea de căldură.

Listăliteratură

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