Specifična toplotna zmogljivost snovi je. Specifična toplotna zmogljivost: definicija, vrednosti, primeri

Voda je ena najbolj neverjetnih snovi. Kljub široka uporaba in vseprisotne uporabe, je prava skrivnost narave. Ker je voda ena izmed kisikovih spojin, se zdi, da bi morala imeti voda zelo nizke lastnosti, kot so zmrzovanje, toplota izhlapevanja itd. Vendar se to ne zgodi. Samo toplotna zmogljivost vode je kljub vsemu izjemno visoka.

Voda lahko absorbira ogromno toplote, medtem ko se sama praktično ne segreje - to je njena fizična lastnost. voda je približno petkrat večja od toplotne zmogljivosti peska in desetkrat večja od železa. Zato je voda naravno hladilno sredstvo. Njegova sposobnost kopičenja veliko število energija vam omogoča, da zgladite temperaturna nihanja na površini Zemlje in uravnavate toplotni režim po vsem planetu, in to se zgodi ne glede na letni čas.

tole edinstvena lastnina voda omogoča uporabo kot hladilno sredstvo v industriji in vsakdanjem življenju. Poleg tega je voda široko dostopna in relativno poceni surovina.

Kaj pomeni toplotna zmogljivost? Kot je znano iz tečaja termodinamike, prenos toplote vedno poteka iz vročega telesa v hladno. Pri čemer govorimo o prehodu določene količine toplote in temperatura obeh teles, ki je značilnost njunega stanja, kaže smer te izmenjave. V procesu kovinskega telesa z vodo enake mase pri enakih začetnih temperaturah kovina spremeni svojo temperaturo večkrat bolj kot voda.

Če vzamemo kot postulat glavno izjavo termodinamike - iz dveh teles (izoliranih od drugih) med izmenjavo toplote eno oddaja, drugo pa prejme enako količino toplote, potem postane jasno, da imata kovina in voda popolnoma različno toploto. zmogljivosti.

Tako je toplotna zmogljivost vode (kot tudi katere koli snovi) indikator, ki označuje sposobnost dane snovi, da da (ali sprejme) nekaj med hlajenjem (segrevanjem) na enoto temperature.

Specifična toplotna zmogljivost snovi je količina toplote, potrebna za segrevanje enote te snovi (1 kilogram) za 1 stopinjo.

Količina toplote, ki jo telo sprosti ali absorbira, je enaka zmnožku specifične toplotne kapacitete, mase in temperaturne razlike. Meri se v kalorijah. Ena kalorija je točno toliko toplote, ki zadostuje za segrevanje 1 g vode za 1 stopinjo. Za primerjavo: specifična toplotna zmogljivost zraka je 0,24 cal/g ∙°С, aluminija 0,22, železa 0,11 in živega srebra 0,03.

Toplotna zmogljivost vode ni konstantna. S povišanjem temperature od 0 do 40 stopinj se rahlo zmanjša (z 1,0074 na 0,9980), medtem ko se pri vseh drugih snoveh ta lastnost med segrevanjem poveča. Poleg tega se lahko zmanjša z naraščajočim tlakom (na globini).

Kot veste, ima voda tri agregatna stanja - tekoče, trdno (led) in plinasto (para). Hkrati je specifična toplotna zmogljivost ledu približno 2-krat nižja kot pri vodi. To je glavna razlika med vodo in drugimi snovmi, katerih specifična toplotna zmogljivost se v trdnem in staljenem stanju ne spreminja. Kaj je skrivnost tukaj?

Dejstvo je, da ima led kristalno strukturo, ki se pri segrevanju ne zruši takoj. Voda vsebuje majhne delce ledu, sestavljene iz več molekul in imenovanih asociatov. Ko se voda segreje, se del porabi za uničenje vodikovih vezi v teh formacijah. To pojasnjuje nenavadno visoko toplotno zmogljivost vode. Vezi med njegovimi molekulami se popolnoma uničijo šele, ko voda preide v paro.

Specifična toplotna zmogljivost pri temperaturi 100 ° C se skoraj ne razlikuje od tiste pri ledu pri 0 ° C. To še enkrat potrjuje pravilnost te razlage. Toplotna zmogljivost pare, tako kot toplotna zmogljivost ledu, je zdaj veliko bolje razumljena kot toplotna zmogljivost vode, o kateri znanstveniki še niso prišli do soglasja.

Vsak šolar se pri pouku fizike sreča s konceptom "specifične toplotne zmogljivosti". Ljudje v večini primerov pozabijo na šolsko definicijo in pogosto sploh ne razumejo pomena tega izraza. Na tehničnih univerzah se bo večina študentov prej ali slej srečala Specifična toplota. Morda v okviru študija fizike ali pa bo morda kdo imel tako disciplino, kot je "toplotna tehnika" ali "tehnična termodinamika". V tem primeru se morate spomniti šolski kurikulum. Torej, spodaj je definicija, primeri, pomeni za nekatere snovi.

Opredelitev

Specifična toplotna zmogljivost je fizikalna količina, ki označuje, koliko toplote je treba oddati enoti snovi ali jo odstraniti iz enote snovi, da se njena temperatura spremeni za eno stopinjo. Pomembno je, da prekličete, da ni pomembno, stopinje Celzija, Kelvina in Fahrenheita, glavna stvar je sprememba temperature na enoto.

Specifična toplotna zmogljivost ima svojo mersko enoto - in mednarodni sistem enote (SI) - Joule, deljeno z zmnožkom kilograma in stopinje Kelvina, J / (kg K); izvensistemska enota je razmerje med kalorijo in zmnožkom kilograma in stopinje Celzija, cal/(kg °C). Ta vrednost je najpogosteje označena s črko c ali C, včasih se uporabljajo indeksi. Na primer, če je tlak konstanten, potem je indeks p, in če je prostornina konstantna, potem v.

Različice definicij

Več formulacij opredelitve obravnavanega fizična količina. Poleg navedenega se za sprejemljivo šteje tudi definicija, ki pravi, da je specifična toplotna kapaciteta razmerje med vrednostjo toplotne kapacitete snovi in njeno maso. V tem primeru je treba jasno razumeti, kaj je "toplotna zmogljivost". Torej toplotna zmogljivost imenujemo fizikalna količina, ki kaže, koliko toplote je treba prinesti telesu (snovi) ali odstraniti, da se vrednost njegove temperature spremeni za eno. Specifična toplotna kapaciteta mase snovi, večja od kilograma, se določi na enak način kot za posamezno vrednost.

Nekaj primerov in pomenov za različne snovi

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da za različne snovi ta pomen je drugačen. Na primer, specifična toplotna zmogljivost vode je 4,187 kJ/(kg K). Večina velik pomen od te fizikalne količine za vodik je 14,300 kJ / (kg K), najmanjša za zlato je 0,129 kJ / (kg K). Če potrebujete vrednost za določeno snov, potem morate vzeti referenčno knjigo in poiskati ustrezne tabele, v njih pa vrednosti, ki vas zanimajo. ampak sodobne tehnologije vam omogočajo, da na trenutke pospešite proces iskanja - dovolj je na katerem koli telefonu, ki ima možnost vstopa v svetovni splet, v iskalno vrstico vtipkajte vprašanje, ki vas zanima, zaženite iskanje in poiščite odgovor na podlagi rezultatov . V večini primerov morate klikniti prvo povezavo. Vendar pa vam včasih sploh ni treba iti nikamor drugam - noter Kratek opis informacije kažejo odgovor na vprašanje.

Najpogostejše snovi, za katere iščejo toplotno zmogljivost, vključno s specifično toploto, so:

zrak (suh) - 1,005 kJ / (kg K),
aluminij - 0,930 kJ / (kg K),
baker - 0,385 kJ / (kg K),
etanol - 2,460 kJ / (kg K),
železo - 0,444 kJ / (kg K),
živo srebro - 0,139 kJ / (kg K),
kisik - 0,920 kJ / (kg K),
les - 1.700 kJ/(kg K),
pesek - 0,835 kJ/(kg K).

Toplotna zmogljivost je sposobnost, da absorbira določeno količino toplote med segrevanjem ali jo odda, ko se ohladi. Toplotna kapaciteta telesa je razmerje med neskončno majhne količine toplote, ki jo telo prejme, in ustreznim povečanjem njegovih temperaturnih kazalcev. Vrednost se meri v J/K. V praksi se uporablja nekoliko drugačna vrednost - specifična toplotna zmogljivost.

Opredelitev

Kaj pomeni specifična toplotna zmogljivost? To je količina, povezana z eno samo količino snovi. V skladu s tem se lahko količina snovi meri v kubičnih metrih, kilogramih ali celo v molih. od česa je odvisno? V fiziki je toplotna kapaciteta neposredno odvisna od tega, na katero količinsko enoto se nanaša, kar pomeni, da razlikujejo med molsko, masno in volumetrično toplotno kapaciteto. V gradbeništvu se ne boste srečevali z molarnimi meritvami, ampak z drugimi – ves čas.

Kaj vpliva na specifično toplotno zmogljivost?

Veste, kakšna je toplotna zmogljivost, toda katere vrednosti vplivajo na indikator, še ni jasno. Na vrednost specifične toplote neposredno vpliva več komponent: temperatura snovi, tlak in druge termodinamične značilnosti.

Ko se temperatura produkta dvigne, se njegova specifična toplotna zmogljivost poveča, vendar se nekatere snovi v tej odvisnosti razlikujejo po popolnoma nelinearni krivulji. Na primer, s povečanjem temperaturnih kazalnikov z nič na sedemintrideset stopinj se specifična toplotna zmogljivost vode začne zmanjševati, in če je meja med sedemintrideset in sto stopinj, potem bo indikator, nasprotno, porast.

Omeniti velja, da je parameter odvisen tudi od tega, kako je dovoljeno spreminjati termodinamične lastnosti izdelka (tlak, prostornina itd.). Na primer, specifična toplota pri stabilnem tlaku in pri stabilni prostornini bo različna.

Kako izračunati parameter?

Vas zanima kakšna je toplotna zmogljivost? Formula za izračun je naslednja: C \u003d Q / (m ΔT). Kakšne so te vrednote? Q je količina toplote, ki jo izdelek prejme pri segrevanju (ali sprosti izdelek med hlajenjem). m je masa produkta, ΔT pa je razlika med končno in začetno temperaturo izdelka. Spodaj je tabela toplotne zmogljivosti nekaterih materialov.

Kaj lahko rečemo o izračunu toplotne zmogljivosti?

Izračun toplotne kapacitete ni lahka naloga, še posebej, če se uporabljajo samo termodinamične metode, je nemogoče narediti natančneje. Zato fiziki uporabljajo metode statistične fizike oziroma poznavanje mikrostrukture produktov. Kako izračunati za plin? Toplotna kapaciteta plina se izračuna iz izračuna povprečne energije toplotnega gibanja posameznih molekul v snovi. Premiki molekul so lahko translacijske in rotacijske, znotraj molekule pa je lahko cel atom ali vibracija atomov. Klasična statistika pravi, da za vsako stopnjo svobode rotacijskih in translacijskih gibov obstaja molska vrednost, ki je enaka R / 2, za vsako vibracijsko stopnjo svobode pa je vrednost enaka R. To pravilo se imenuje tudi pravo enakopravne delitve.

V tem primeru se delec enoatomnega plina razlikuje le za tri translacijske stopnje svobode, zato mora biti njegova toplotna kapaciteta enaka 3R/2, kar se odlično ujema s poskusom. Vsaka molekula dvoatomskega plina ima tri translacijske, dve rotacijski in eno vibracijsko stopnjo svobode, kar pomeni, da bo zakon enakomerne porazdelitve 7R/2, izkušnje pa so pokazale, da je toplotna kapaciteta mola dvoatomskega plina pri običajni temperaturi 5R/ 2. Zakaj je prišlo do takšnega neskladja v teoriji? To je posledica dejstva, da bo pri določanju toplotne zmogljivosti treba upoštevati različne kvantni učinki z drugimi besedami, uporabite kvantno statistiko. Kot lahko vidite, je toplotna zmogljivost precej zapleten koncept.

Kvantna mehanika pravi, da ima lahko vsak sistem delcev, ki nihajo ali se vrtijo, vključno z molekulo plina, določene diskretne energijske vrednosti. Če je energija toplotnega gibanja v nameščen sistem ni dovolj za vzbujanje nihanj zahtevane frekvence, potem ta nihanja ne prispevajo k toplotni kapaciteti sistema.

IN trdne snovi Oh toplotno gibanje atomov je šibka nihanja v bližini določenih ravnotežnih položajev, to velja za vozlišča kristalne mreže. Atom ima tri vibracijske stopnje svobode in po zakonu je molarna toplotna kapaciteta trdnega telesa enaka 3nR, kjer je n število atomov, prisotnih v molekuli. V praksi je ta vrednost meja, h kateri teži toplotna zmogljivost telesa pri visokih temperaturah. Vrednost se doseže z normalnimi temperaturnimi spremembami v številnih elementih, to velja za kovine, pa tudi za preproste spojine. Določi se tudi toplotna kapaciteta svinca in drugih snovi.

Kaj lahko rečemo o nizkih temperaturah?

Že vemo, kaj je toplotna zmogljivost, a če govorimo o nizke temperature, kako se bo potem vrednost izračunala? Če govorimo o nizkih temperaturnih indikatorjih, se potem toplotna zmogljivost trdnega telesa izkaže za sorazmerno T 3 ali tako imenovani Debyejev zakon toplotne kapacitete. Glavno merilo za razlikovanje visokozmogljivo temperature od nizkih, je navadna primerjava jih s parametrom, značilnim za določeno snov - to je lahko karakteristika ali Debyejeva temperatura q D . Predstavljena vrednost je določena s spektrom vibracij atomov v izdelku in je bistveno odvisna od kristalne strukture.

V kovinah prevodni elektroni določeno prispevajo k toplotni kapaciteti. Ta del toplotne kapacitete se izračuna s pomočjo Fermi-Diracove statistike, ki upošteva elektrone. Elektronska toplotna kapaciteta kovine, ki je sorazmerna z običajno toplotno kapaciteto, je relativno majhna vrednost in prispeva k toplotni kapaciteti kovine le pri temperaturah blizu absolutne ničle. Nato toplotna zmogljivost rešetke postane zelo majhna in jo je mogoče zanemariti.

Masna toplotna zmogljivost

Masna specifična toplotna kapaciteta je količina toplote, ki jo je treba pripeljati do enote mase snovi, da se izdelek segreje na enoto temperature. Ta vrednost je označena s črko C in se meri v joulih, deljenih s kilogramom na kelvin - J / (kg K). To je vse, kar zadeva toplotno kapaciteto mase.

Kaj je volumetrična toplotna zmogljivost?

Volumetrična toplotna zmogljivost je določena količina toplote, ki jo je treba pripeljati na enoto prostornine proizvodnje, da jo segrejemo na enoto temperature. Meri se v joulih, deljeno z kubični meter na kelvin ali J / (m³ K). V mnogih gradbenih referenčnih knjigah se upošteva masna specifična toplotna zmogljivost pri delu.

Praktična uporaba toplotne zmogljivosti v gradbeništvu

Veliko toplotno intenzivnih materialov se aktivno uporablja pri gradnji toplotno odpornih sten. To je izjemno pomembno za hiše, za katere je značilno periodično ogrevanje. Na primer, pečica. Toplotno intenzivni izdelki in iz njih zgrajene stene odlično akumulirajo toploto, jo shranjujejo v času ogrevanja in postopoma sproščajo toploto po izklopu sistema, kar vam omogoča vzdrževanje sprejemljive temperature skozi ves dan.

Torej, več toplote je shranjeno v konstrukciji, bolj udobna in stabilna bo temperatura v prostorih.

Treba je opozoriti, da imata navadna opeka in beton, ki se uporabljata v stanovanjski gradnji, bistveno nižjo toplotno zmogljivost kot ekspandirani polistiren. Če vzamemo ecowool, potem je trikrat bolj toplotno poraba kot beton. Treba je opozoriti, da v formuli za izračun toplotne zmogljivosti ni zaman, da obstaja masa. Zaradi velike ogromne mase betona ali opeke v primerjavi z ecowoo omogoča kopičenje ogromnih količin toplote v kamnitih stenah konstrukcij in glajenje vseh dnevnih temperaturnih nihanj. Samo majhna masa izolacije v celoti okvirne hiše, kljub dobri toplotni zmogljivosti, je najšibkejša cona za vse okvirne tehnologije. Rešiti ta problem, v vseh hišah so nameščeni impresivni akumulatorji toplote. kaj je to? To so konstrukcijski deli, za katere je značilna velika masa z dokaj dobrim indeksom toplotne zmogljivosti.

Primeri toplotnih akumulatorjev v življenju

kaj bi lahko bilo? Na primer nekaj notranjih opečne stene, velika peč ali kamin, betonski estrihi.

Pohištvo v kateri koli hiši ali stanovanju je odličen akumulator toplote, saj lahko vezane plošče, iverne plošče in les dejansko hranijo toploto le na kilogram teže trikrat več kot zloglasna opeka.

Ali ima toplotno shranjevanje kakšne pomanjkljivosti? Seveda je glavna pomanjkljivost tega pristopa, da je treba hranilnik toplote načrtovati v fazi ustvarjanja postavitve. okvirna hiša. Vse zaradi dejstva, da je zelo težak, in to bo treba upoštevati pri ustvarjanju temeljev, nato pa si predstavljajte, kako bo ta predmet integriran v notranjost. Vredno je reči, da je treba upoštevati ne le maso, pri delu bo treba oceniti obe značilnosti: maso in toplotno zmogljivost. Če na primer kot hranilnik toplote uporabite zlato z neverjetno težo dvajset ton na kubični meter, bo izdelek deloval tako, kot bi moral le triindvajset odstotkov bolje kot betonska kocka, ki tehta dve toni in pol.

Katera snov je najbolj primerna za shranjevanje toplote?

najboljši izdelek kajti akumulator toplote sploh ni beton in opeka! Baker, bron in železo to dobro opravijo, vendar so zelo težki. Nenavadno, toda najboljši hranilnik toplote je voda! Tekočina ima impresivno toplotno zmogljivost, največjo med snovmi, ki so nam na voljo. Večjo toplotno kapaciteto imajo le plini helij (5190 J / (kg K) in vodik (14300 J / (kg K)), vendar jih je v praksi težko uporabiti. Če želite in potrebujete, si oglejte tabelo toplotne zmogljivosti snovi potrebuješ.

Naj zdaj predstavimo zelo pomembno termodinamično značilnost, imenovano toplotna zmogljivost sistemi(tradicionalno označeno s črko IZ z različnimi indeksi).

Toplotna zmogljivost - vrednost aditiv, odvisno od količine snovi v sistemu. Zato tudi uvajamo Specifična toplota

Specifična toplota je toplotna kapaciteta na enoto mase snovi

in molarna toplotna kapaciteta

Molarna toplotna zmogljivost je toplotna kapaciteta enega mola snovi

Ker količina toplote ni funkcija stanja in je odvisna od procesa, bo toplotna zmogljivost odvisna tudi od načina dovajanja toplote v sistem. Da bi to razumeli, se spomnimo prvega zakona termodinamike. Delitev enakosti ( 2.4) na osnovni prirast absolutne temperature dT, dobimo razmerje

Drugi izraz je, kot smo videli, odvisen od vrste procesa. Opažamo, da v splošnem primeru neidealnega sistema, katerega interakcije delcev (molekul, atomov, ionov itd.) ni mogoče zanemariti (glej na primer § 2.5 spodaj, v katerem se upošteva van der Waalsov plin) , notranja energija ni odvisna samo od temperature, ampak tudi od prostornine sistema. To je razloženo z dejstvom, da je energija interakcije odvisna od razdalje med medsebojno delujočimi delci. Ko se prostornina sistema spremeni, se koncentracija delcev spremeni, oziroma se spremeni povprečna razdalja med njimi in posledično se spremeni energija interakcije in celotna notranja energija sistema. Z drugimi besedami, v splošnem primeru neidealnega sistema

Zato v splošnem primeru prvega člena ne moremo zapisati kot celoten izpeljank, celotno izpeljanko je treba nadomestiti z delnim izpeljavo z dodatno navedbo konstantne vrednosti, po kateri se izračuna. Na primer, za izohorični proces:

Ali za izobarni proces

Delni izvod, vključen v ta izraz, se izračuna z uporabo enačbe stanja sistema, zapisane kot . Na primer, v posebnem primeru idealnega plina

ta izpeljanka je

Upoštevali bomo dva posebna primera, ki ustrezata procesu oskrbe s toploto:

konstantna prostornina;
konstanten tlak v sistemu.

V prvem primeru delajte dА = 0 in dobimo toplotno kapaciteto C V idealen plin pri konstantni prostornini:

Ob upoštevanju zgoraj navedenega pridržka je treba za neidealno sistemsko relacijo (2.19) zapisati v naslednji obliki splošni pogled

Zamenjava v 2.7 na , in na , takoj dobimo:

Za izračun toplotne kapacitete idealnega plina S p pri konstantnem tlaku ( dp=0) upoštevamo, da iz enačbe ( 2.8) sledi izrazu za osnovno delo z neskončno majhno spremembo temperature

Na koncu pridemo

Če to enačbo delimo s številom molov snovi v sistemu, dobimo podobno razmerje za molarne toplotne kapacitete pri konstantnem volumnu in tlaku, imenovano Mayerjevo razmerje

Za referenco splošna formula- za poljuben sistem - povezovanje izohoričnih in izobaričnih toplotnih kapacitet:

Izraza (2.20) in (2.21) dobimo iz te formule tako, da vanjo nadomestimo izraz za notranja energija idealen plin in z uporabo njegove enačbe stanja (glej zgoraj):

Toplotna zmogljivost dane mase snovi pri konstantnem tlaku je večja od toplotne kapacitete pri konstantni prostornini, saj se del vnesene energije porabi za opravljanje dela in za enako ogrevanje je potrebno več toplote. Upoštevajte, da iz (2.21) sledi fizični pomen plinska konstanta:

Tako se izkaže, da je toplotna zmogljivost odvisna ne le od vrste snovi, temveč tudi od pogojev, pod katerimi se pojavi proces spremembe temperature.

Kot vidimo, izohorične in izobarične toplotne kapacitete idealnega plina niso odvisne od temperature plina, pri realnih snoveh pa so te toplotne kapacitete na splošno odvisne tudi od same temperature. T.

Izohorično in izobarično toplotno kapaciteto idealnega plina lahko dobimo tudi neposredno iz splošne definicije z uporabo zgornjih formul ( 2.7) in (2.10 ) za količino toplote, ki jo v teh procesih dobi idealni plin.

Za izohorični proces je izraz za C V sledi iz ( 2.7):

Za izobarni proces je izraz za C str izhaja iz (2.10):

Za molarne toplotne kapacitete zato dobimo naslednje izraze

Razmerje toplotnih kapacitet je enako adiabatnemu indeksu:

Na termodinamični ravni je nemogoče predvideti številčno vrednost g; to nam je uspelo le ob upoštevanju mikroskopskih lastnosti sistema (glej izraz (1.19 ), kot tudi ( 1.28) za mešanico plinov). Iz formul (1.19) in (2.24) sledijo teoretične napovedi za molarne toplotne kapacitete plinov in adiabatni eksponent.

Monatomski plini (i = 3):

Diatomski plini (i = 5):

Poliatomski plini (i = 6):

Eksperimentalni podatki za različne snovi so prikazane v tabeli 1.

Tabela 1

Snov			g

To je jasno preprost model idealni plini na splošno precej dobro opisuje lastnosti resničnih plinov. Upoštevajte, da je bil dogovor dosežen brez upoštevanja vibracijskih stopenj svobode molekul plina.

Podali smo tudi vrednosti molarne toplotne kapacitete nekaterih kovin pri sobna temperatura. Če si predstavljate kristalna mreža kovina kot urejen niz trdnih kroglic, povezanih z vzmetmi s sosednjimi kroglami, potem lahko vsak delec niha samo v treh smereh ( štejem = 3), in vsaka taka stopnja svobode je povezana s kinetično k V T/2 in enako potencialno energijo. Zato ima kristalni delec notranjo (nihajno) energijo k V T.Če pomnožimo s številom Avogadro, dobimo notranjo energijo enega mola

od kod izvira vrednost molarne toplotne kapacitete

(Zaradi majhnega koeficienta toplotnega raztezanja trdnih snovi se ne razlikujejo s p in cv). Zgornja relacija za molsko toplotno kapaciteto trdnih snovi se imenuje zakon Dulonga in Petita, in tabela prikazuje dobro ujemanje izračunane vrednosti

z eksperimentom.

Ko govorimo o dobrem soglasju med zgornjimi razmerji in eksperimentalnimi podatki, je treba opozoriti, da ga opazimo le v določenem temperaturnem območju. Z drugimi besedami, toplotna zmogljivost sistema je odvisna od temperature, formule (2.24) pa imajo omejen obseg. Najprej razmislite o sl. 2.10, ki prikazuje eksperimentalno odvisnost toplotne kapacitete s televizijo vodikov plin od absolutne temperature T.

riž. 2.10. Molarna toplotna kapaciteta plinastega vodika Н2 pri konstantni prostornini kot funkcija temperature (eksperimentalni podatki)

Spodaj za kratkost govorimo o odsotnosti določenih stopenj svobode v molekulah v določenih temperaturnih območjih. Še enkrat naj spomnimo, da pravzaprav govorimo o naslednjem. Iz kvantnih razlogov relativni prispevek k notranji energiji plina določene vrste gibanje je res odvisno od temperature in je v določenih temperaturnih intervalih lahko tako majhno, da je v poskusu – vedno izvedenem s končno natančnostjo – nevidno. Rezultat eksperimenta je videti, kot da te vrste gibanja ne obstajajo in ni ustreznih stopenj svobode. Število in naravo svobodnih stopenj določata struktura molekule in tridimenzionalnost našega prostora – ne moreta biti odvisna od temperature.

Prispevek k notranji energiji je odvisen od temperature in je lahko majhen.

Pri nižjih temperaturah 100 K toplotna zmogljivost

kar kaže na odsotnost tako rotacijskih kot vibracijskih stopenj svobode v molekuli. Nadalje, z naraščajočo temperaturo se toplotna zmogljivost hitro poveča na klasično vrednost

značilnost za dvoatomska molekula s togo povezavo, v kateri ni vibracijskih stopenj svobode. Pri temperaturah nad 2000 K toplotna zmogljivost odkrije nov skok na vrednost

Ta rezultat kaže tudi na pojav vibracijskih stopenj svobode. A vse to še vedno izgleda nerazložljivo. Zakaj se molekula ne more vrteti pri nizkih temperaturah? In zakaj se vibracije v molekuli pojavijo le pri zelo visokih temperaturah? V prejšnjem poglavju je bila podana kratka kvalitativna razprava o kvantnih razlogih za to vedenje. In zdaj lahko samo ponovimo, da se vse skupaj spušča na specifično kvantne pojave, ki jih ni mogoče razložiti s stališča klasične fizike. Ti pojavi so podrobno obravnavani v naslednjih poglavjih tečaja.

Dodatne informacije

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - str.236 - tabela značilnih "vklopnih" temperatur vibracijskih in rotacijskih stopenj svobode molekul za nekatere specifične pline;

Obrnimo se zdaj na sl. 2.11, ki predstavlja odvisnost molarne toplotne kapacitete treh kemični elementi(kristali) na temperaturo. Pri visokih temperaturah se vse tri krivulje nagibajo k isti vrednosti

ki ustreza zakonu Dulong in Petit. Svinec (Pb) in železo (Fe) imata to omejevalno toplotno kapaciteto praktično že pri sobni temperaturi.

riž. 2.11. Odvisnost molarne toplotne kapacitete za tri kemične elemente - kristale svinca, železa in ogljika (diamant) - od temperature

Za diamant (C) ta temperatura še ni dovolj visoka. In pri nizkih temperaturah vse tri krivulje kažejo znatno odstopanje od Dulongovega in Petitovega zakona. To je še ena manifestacija kvantnih lastnosti snovi. Izkazalo se je, da je klasična fizika nemočna razložiti številne pravilnosti, opažene pri nizkih temperaturah.

Dodatne informacije

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Uvod v molekularno fiziko in termodinamiko, Ed. IL, 1962 - str. 106–107, del I, § 12 - prispevek elektronov k toplotni kapaciteti kovin pri temperaturah blizu absolutne ničle;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Ali poznaš fiziko? Knjižnica "Quantum", številka 82, Znanost, 1992. stran 132, vprašanje 137: katera telesa imajo največjo toplotno kapaciteto (glej odgovor na str. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Ali poznaš fiziko? Knjižnica "Quantum", številka 82, Znanost, 1992. stran 132, vprašanje 135: o ogrevanju vode v treh agregatnih stanjih - trdnem, tekočem in parnem (glej odgovor na str. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - fizična enciklopedija. Kalorimetrija. Opisane so metode za merjenje toplotnih kapacitet.

V današnji lekciji bomo predstavili tak fizikalni pojem, kot je specifična toplotna kapaciteta snovi. Vemo, da je odvisno od kemične lastnosti snovi, njena vrednost, ki jo najdete v tabelah, pa je za različne snovi različna. Nato bomo ugotovili merske enote in formulo za iskanje specifične toplotne kapacitete ter se naučili analizirati toplotne lastnosti snovi glede na vrednost njihove specifične toplotne kapacitete.

Kalorimeter(iz lat. kalorij- toplo in metor- mera) - naprava za merjenje količine toplote, ki se sprosti ali absorbira v katerem koli fizikalnem, kemičnem ali biološkem procesu. Izraz "kalorimeter" sta predlagala A. Lavoisier in P. Laplace.

Kalorimeter je sestavljen iz pokrova, notranjega in zunanjega stekla. Pri zasnovi kalorimetra je zelo pomembno, da je med manjšo in večjo posodo plast zraka, ki zaradi nizke toplotne prevodnosti zagotavlja slab prenos toplote med vsebino in zunanjim okoljem. Ta zasnova omogoča, da kalorimeter obravnavamo kot neke vrste termos in se praktično znebimo učinkov zunanje okolje o poteku procesov prenosa toplote znotraj kalorimetra.

Kalorimeter je namenjen natančnejšemu merjenju specifičnih toplotnih kapacitet in drugih toplotnih parametrov teles, kot je prikazano v tabeli.

Komentar. Pomembno je omeniti, da takšnega pojma, kot je količina toplote, ki ga zelo pogosto uporabljamo, ne smemo zamenjevati z notranjo energijo telesa. Količina toplote določa natančno spremembo notranje energije in ne njene specifične vrednosti.

Upoštevajte, da je specifična toplotna kapaciteta različnih snovi različna, kar je razvidno iz tabele (slika 3). Na primer, zlato ima specifično toplotno zmogljivost. Kot smo že poudarili, fizični pomen te specifične toplotne kapacitete pomeni, da je treba za segrevanje 1 kg zlata za 1 °C dovajati 130 J toplote (slika 5).

riž. 5. Specifična toplotna zmogljivost zlata

V naslednji lekciji bomo razpravljali o tem, kako izračunati količino toplote.

Seznamliteratura

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemozina.
Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Razsvetljenje.