Toplotna zmogljivost plina je količina energije, ki jo telo absorbira, ko se segreje za eno stopinjo. Analizirajmo glavne značilnosti te fizikalne količine.
Definicije
Specifična toplota plina je enota mase določene snovi. Njegove merske enote so J/(kg·K). Količina toplote, ki jo telo absorbira v procesu spreminjanja svojega agregacijskega stanja, ni povezana le z začetnim in končnim stanjem, temveč tudi z načinom prehoda.
Oddelek
Toplotna zmogljivost plinov se deli z vrednostjo, določeno pri konstantni prostornini (Cv), konstantnem tlaku (Cр).
V primeru segrevanja brez spreminjanja tlaka se nekaj toplote porabi za ustvarjanje dela raztezanja plina, del energije pa za povečanje notranje energije.
Toplotna zmogljivost plinov pri konstantnem tlaku je določena s količino toplote, ki se porabi za povečanje notranje energije.
Stanje plina: značilnosti, opis
Toplotna zmogljivost idealnega plina se določi ob upoštevanju dejstva, da je Сp-Сv=R. Slednja količina se imenuje univerzalna plinska konstanta. Njegova vrednost ustreza 8,314 J/(mol K).
Pri izvajanju teoretičnih izračunov toplotne kapacitete, na primer pri opisovanju razmerja s temperaturo, ni dovolj, da uporabljamo samo termodinamične metode, pomembno je, da se oborožimo z elementi statične fizike.
Toplotna kapaciteta plinov vključuje izračun povprečne vrednosti energije translacijskega gibanja nekaterih molekul. Takšno gibanje je povzeto iz rotacijskega in translacijskega gibanja molekule, pa tudi iz notranjih vibracij atomov.
V statični fiziki obstaja informacija, da za vsako stopnjo svobode rotacijskega in translacijskega gibanja obstaja količina za plin, ki je enaka polovici univerzalne plinske konstante.
Zanimiva dejstva
Predpostavlja se, da ima delec enoatomskega plina tri translacijske stopnje svobode, tako da ima specifična toplota plina tri translacijske, dve rotacijski in eno vibracijsko svobodno stopnjo. Zakon njihove enakomerne porazdelitve vodi do izenačitve specifične toplote pri konstantni prostornini z R.
Med poskusi je bilo ugotovljeno, da toplotna zmogljivost dvoatomskega plina ustreza vrednosti R. Takšno neskladje med teorijo in prakso je razloženo z dejstvom, da je toplotna zmogljivost idealnega plina povezana s kvantno učinkov, zato je pri izračunih pomembno uporabiti statistiko, ki temelji na kvantnostimehanika.
Na podlagi kvantne mehanike ima vsak sistem delcev, ki nihajo ali se vrtijo, vključno z molekulami plina, le nekaj diskretnih vrednosti energije.
Če energija toplotnega gibanja v sistemu ni dovolj za vzbujanje nihanj določene frekvence, taka gibanja ne prispevajo k skupni toplotni kapaciteti sistema.
Kot rezultat, določena stopnja svobode postane "zamrznjena", zanjo je nemogoče uporabiti zakon o enakomerni porazdelitvi.
Toplotna zmogljivost plinov je pomembna značilnost stanja, od katerega je odvisno delovanje celotnega termodinamičnega sistema.
Temperatura, pri kateri je mogoče uporabiti zakon enakomerne porazdelitve za vibracijsko ali rotacijsko stopnjo svobode, je označena s kvantno teorijo, povezuje Planckovo konstanto z Boltzmannovo konstanto.
diatomski plini
Razmiki med nivoji rotacijske energije takšnih plinov so majhno število stopinj. Izjema je vodik, pri katerem je vrednost temperature določena s stotinami stopinj.
Zato je toplotno kapaciteto plina pri konstantnem tlaku težko opisati z zakonom enakomerne porazdelitve. V kvantni statistiki se pri določanju toplotne kapacitete upošteva, da se njen vibracijski del v primeru znižanja temperature hitro zmanjša in doseže nič.
Ta pojav pojasnjuje dejstvo, da pri sobni temperaturi praktično ni vibracijskega dela toplotne kapacitete, zadvoatomski plin, ustreza konstanti R.
Toplotna kapaciteta plina pri konstantni prostornini v primeru nizkotemperaturnih indikatorjev se določi z uporabo kvantne statistike. Obstaja Nernstovo načelo, ki se imenuje tretji zakon termodinamike. Na podlagi njegove formulacije se bo molarna toplotna zmogljivost plina z nižanjem temperature zmanjšala in se nagibala k nič.
Lastnosti trdnih snovi
Če je toplotno kapaciteto mešanice plinov mogoče razložiti s kvantno statistiko, potem je za trdno agregacijsko stanje toplotno gibanje značilno z rahlimi nihanji delcev blizu ravnotežnega položaja.
Vsak atom ima tri vibracijske stopnje svobode, zato lahko v skladu z enakorazdelnim zakonom molsko toplotno kapaciteto trdne snovi izračunamo kot 3nR, pri čemer je n število atomov v molekuli.
V praksi je to število meja, do katere se nagiba toplotna zmogljivost trdnega telesa pri visokih temperaturah.
Maksimum je mogoče doseči pri običajnih temperaturah za nekatere elemente, vključno s kovinami. Za n=1 sta Dulongov in Petitov zakon izpolnjena, za kompleksne snovi pa je to mejo precej težko doseči. Ker meje v resnici ni mogoče doseči, pride do razgradnje ali taljenja trdne snovi.
Zgodovina kvantne teorije
Ustanovitelja kvantne teorije sta Einstein in Debye na začetku dvajsetega stoletja. Temelji na kvantizaciji oscilatornih gibanj atomov v določenemkristal. V primeru nizkotemperaturnih indikatorjev se izkaže, da je toplotna zmogljivost trdnega telesa neposredno sorazmerna z absolutno vrednostjo, vzeto na kocke. To razmerje se imenuje Debyejev zakon. Kot merilo, ki omogoča razlikovanje med indikatorji nizke in visoke temperature, je vzeta njihova primerjava z Debyejevo temperaturo.
Ta vrednost je določena s spektrom vibracij atoma v telesu, zato je resno odvisna od značilnosti njegove kristalne strukture.
QD je vrednost, ki ima nekaj sto K, vendar je na primer veliko višja v diamantu.
Prevodni elektroni pomembno prispevajo k toplotni kapaciteti kovin. Za izračun se uporablja Fermijeva kvantna statistika. Elektronska prevodnost kovinskih atomov je neposredno sorazmerna z absolutno temperaturo. Ker gre za nepomembno vrednost, se upošteva le pri temperaturah, ki se nagibajo k absolutni ničli.
Metode za določanje toplotne zmogljivosti
Glavna eksperimentalna metoda je kalorimetrija. Za teoretični izračun toplotne kapacitete se uporablja statistična termodinamika. Velja za idealen plin, pa tudi za kristalna telesa, se izvede na podlagi eksperimentalnih podatkov o strukturi snovi.
Empirične metode za izračun toplotne kapacitete idealnega plina temeljijo na ideji o kemični strukturi, prispevku posameznih skupin atomov k Ср.
Za tekočine se uporabljajo tudi metode, ki temeljijo na uporabi termodinamikecikli, ki omogočajo prehod iz toplotne kapacitete idealnega plina v tekočino skozi izvod temperature entalpije procesa izhlapevanja.
V primeru raztopine izračun toplotne kapacitete kot aditivne funkcije ni dovoljen, saj je presežna vrednost toplotne kapacitete raztopine v osnovi pomembna.
Za oceno potrebujemo molekularno-statistično teorijo rešitev. Najtežja je identifikacija toplotne kapacitete heterogenih sistemov v termodinamični analizi.
Sklep
Študija toplotne zmogljivosti vam omogoča izračun energetske bilance procesov, ki se odvijajo v kemičnih reaktorjih, pa tudi v drugih aparatih za kemično proizvodnjo. Poleg tega je ta vrednost potrebna za izbiro optimalnih vrst hladilnih tekočin.
Trenutno je eksperimentalno določanje toplotne kapacitete snovi za različne temperaturne intervale - od nizkih vrednosti do visokih vrednosti - glavna možnost za določanje termodinamičnih lastnosti snovi. Pri izračunu entropije in entalpije snovi se uporabljajo integrali toplotne kapacitete. Podatki o toplotni zmogljivosti kemičnih reagentov v določenem temperaturnem območju vam omogočajo izračun toplotnega učinka procesa. Podatki o toplotni kapaciteti raztopin omogočajo izračun njihovih termodinamičnih parametrov pri vseh temperaturnih vrednostih znotraj analiziranega intervala.
Na primer, za tekočino je značilna poraba dela toplote za spremembo vrednosti potencialne energijereagirajoče molekule. Ta vrednost se imenuje "konfiguracijska" toplotna zmogljivost, ki se uporablja za opis rešitev.
Težko je izvesti popolne matematične izračune brez upoštevanja termodinamičnih značilnosti snovi, njenega agregacijskega stanja. Zato se za tekočine, pline, trdne snovi uporablja takšna značilnost, kot je specifična toplotna zmogljivost, ki omogoča karakterizacijo energijskih parametrov snovi.
