Bir gazın ısı kapasitesi, vücudun bir derece ısıtıldığında emdiği enerji miktarıdır. Bu fiziksel niceliğin temel özelliklerini analiz edelim.
Tanımlar
Bir gazın özgül ısısı, belirli bir maddenin birim kütlesidir. Ölçü birimi J/(kg·K)'dir. Toplanma durumunu değiştirme sürecinde vücut tarafından emilen ısı miktarı, yalnızca ilk ve son durumla değil, aynı zamanda geçiş yöntemiyle de ilişkilidir.
Departman
Gazların ısı kapasitesi, sabit hacimde (Cv), sabit basınçta (Cр) belirlenen değere bölünür.
Basıncı değiştirmeden ısıtma durumunda, gazın genleşme işini üretmek için bir miktar ısı harcanır ve enerjinin bir kısmı iç enerjiyi artırmak için harcanır.
Sabit basınçta gazların ısı kapasitesi, artan iç enerji için harcanan ısı miktarı ile belirlenir.
Gaz durumu: özellikler, açıklama
İdeal bir gazın ısı kapasitesi, Сp-Сv=R gerçeği dikkate alınarak belirlenir. İkinci niceliğe evrensel gaz sabiti denir. Değeri 8.314 J/(mol K)'ye karşılık gelir.
Isı kapasitesinin teorik hesaplamalarını yaparken, örneğin sıcaklıkla olan ilişkiyi tanımlarken, sadece termodinamik yöntemleri kullanmak yeterli değildir, kendinizi statik fizik unsurlarıyla donatmak önemlidir.
Gazların ısı kapasitesi, bazı moleküllerin öteleme hareketinin enerjisinin ortalama değerinin hesaplanmasını içerir. Bu tür hareketler, molekülün dönme ve öteleme hareketinden olduğu kadar atomların iç titreşimlerinden de özetlenir.
Statik fizikte, her bir dönme ve öteleme hareketi serbestliği derecesi için, bir gaz için evrensel gaz sabitinin yarısına eşit bir miktar olduğu bilgisi vardır.
İlginç gerçekler
Monatomik bir gazın parçacığının üç öteleme serbestlik derecesine sahip olduğu varsayılır, bu nedenle bir gazın özgül ısısının üç öteleme, iki dönme ve bir titreşim serbestlik derecesi vardır. Üniform dağılımlarının yasası, sabit bir hacimdeki özgül ısının R'ye eşitlenmesine yol açar.
Deneyler sırasında, iki atomlu bir gazın ısı kapasitesinin R değerine tekabül ettiği bulundu. Teori ve pratik arasındaki bu tür bir tutarsızlık, ideal bir gazın ısı kapasitesinin kuantum ile ilişkili olduğu gerçeğiyle açıklanır. etkiler, bu nedenle hesaplamalar yaparken kuantuma dayalı istatistikleri kullanmak önemlidir.mekanik.
Kuantum mekaniğinin temellerine dayanarak, gaz molekülleri de dahil olmak üzere salınan veya dönen herhangi bir parçacık sistemi, yalnızca bazı ayrık enerji değerlerine sahiptir.
Sistemdeki termal hareketin enerjisi belirli bir frekanstaki salınımları harekete geçirmek için yeterli değilse, bu tür hareketler sistemin toplam ısı kapasitesine katkıda bulunmaz.
Sonuç olarak, belirli bir serbestlik derecesi "donmuş" hale gelir, buna eş bölme yasasını uygulamak imkansızdır.
Gazların ısı kapasitesi, tüm termodinamik sistemin işleyişinin bağlı olduğu durumun önemli bir özelliğidir.
Eşitbölme yasasının titreşimsel veya dönme serbestlik derecesine uygulanabileceği sıcaklık kuantum teorisi ile karakterize edilir, Planck sabitini Boltzmann sabitine bağlar.
Diatomik gazlar
Bu tür gazların dönme enerji seviyeleri arasındaki boşluklar az sayıda derecedir. Bunun istisnası, sıcaklık değerinin yüzlerce derece ile belirlendiği hidrojendir.
Bu yüzden sabit basınçta bir gazın ısı kapasitesinin düzgün dağılım yasasıyla tanımlanması zordur. Kuantum istatistiklerinde, ısı kapasitesi belirlenirken, sıcaklıkta bir azalma olması durumunda titreşim kısmının hızla azaldığı ve sıfıra ulaştığı dikkate alınır.
Bu fenomen, oda sıcaklığında ısı kapasitesinin pratikte hiçbir titreşimsel kısmının olmadığı gerçeğini açıklar.iki atomlu gaz, R sabitine karşılık gelir.
Düşük sıcaklık göstergeleri durumunda sabit hacimde bir gazın ısı kapasitesi kuantum istatistikleri kullanılarak belirlenir. Termodinamiğin üçüncü yasası olarak adlandırılan Nernst ilkesi vardır. Formülasyonuna bağlı olarak, bir gazın molar ısı kapasitesi sıcaklık azaldıkça azalarak sıfıra yaklaşacaktır.
Katıların özellikleri
Bir gaz karışımının ısı kapasitesi kuantum istatistikleri kullanılarak açıklanabiliyorsa, o zaman katı bir kümelenme durumu için termal hareket, denge konumuna yakın parçacıkların hafif dalgalanmalarıyla karakterize edilir.
Her atomun üç titreşim serbestlik derecesi vardır, bu nedenle, eşbölme yasasına göre, bir katının molar ısı kapasitesi, n bir moleküldeki atom sayısı olmak üzere 3nR olarak hesaplanabilir.
Pratikte, bu sayı, katı bir cismin ısı kapasitesinin yüksek sıcaklıklarda eğilim gösterdiği sınırdır.
Maksimum, metaller de dahil olmak üzere bazı elementler için normal sıcaklıklarda elde edilebilir. n=1 için Dulong ve Petit yasası sağlanır, ancak karmaşık maddeler için böyle bir sınıra ulaşmak oldukça zordur. Gerçekte sınır elde edilemediği için katının ayrışması veya erimesi meydana gelir.
Kuantum teorisinin tarihi
Kuantum teorisinin kurucuları, yirminci yüzyılın başında Einstein ve Debye'dir. Atomların belirli bir aralıktaki salınım hareketlerinin nicelleştirilmesine dayanır.kristal. Düşük sıcaklık göstergeleri durumunda, katı bir cismin ısı kapasitesi, alınan mutlak değerin küpü ile doğru orantılıdır. Bu ilişki Debye yasası olarak adlandırılmıştır. Düşük ve yüksek sıcaklık göstergelerini ayırt etmeyi mümkün kılan bir kriter olarak, bunların Debye sıcaklığı ile karşılaştırılması alınmıştır.
Bu değer, vücuttaki bir atomun titreşim spektrumu tarafından belirlenir, bu nedenle kristal yapısının özelliklerine ciddi şekilde bağlıdır.
QD birkaç yüz K olan bir değerdir, ancak örneğin elmasta çok daha yüksektir.
İletim elektronları, metallerin ısı kapasitesine önemli bir katkı sağlar. Bunu hesaplamak için Fermi kuantum istatistikleri kullanılır. Metal atomlarının elektronik iletkenliği, mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Önemsiz bir değer olduğu için sadece mutlak sıfıra meyilli sıcaklıklarda dikkate alınır.
Isı kapasitesini belirleme yöntemleri
Temel deneysel yöntem kalorimetridir. Isı kapasitesinin teorik bir hesaplamasını yapmak için istatistiksel termodinamik kullanılır. İdeal bir gaz için olduğu kadar kristal cisimler için de geçerlidir, maddenin yapısı üzerine deneysel veriler temelinde gerçekleştirilir.
İdeal bir gazın ısı kapasitesini hesaplamak için ampirik yöntemler, kimyasal yapı fikrine, bireysel atom gruplarının Ср'a katkısına dayanır.
Sıvılar için termodinamik kullanımına dayalı yöntemler de kullanılır.buharlaşma sürecinin entalpisinin sıcaklığının türevi yoluyla ideal bir gazın ısı kapasitesinden bir sıvıya geçmeyi mümkün kılan döngüler.
Bir çözüm durumunda, çözümün ısı kapasitesinin fazla değeri temel olarak önemli olduğundan, ısı kapasitesinin bir katkı fonksiyonu olarak hesaplanmasına izin verilmez.
Bunu değerlendirmek için moleküler-istatistiksel çözüm teorisine ihtiyacımız var. En zoru, termodinamik analizde heterojen sistemlerin ısı kapasitesinin belirlenmesidir.
Sonuç
Isı kapasitesi çalışması, kimyasal reaktörlerde ve diğer kimyasal üretim cihazlarında meydana gelen süreçlerin enerji dengesini hesaplamanıza olanak tanır. Ayrıca bu değer, optimum tipte soğutma sıvısı seçimi için gereklidir.
Şu anda, düşük değerlerden yüksek değerlere kadar çeşitli sıcaklık aralıkları için maddelerin ısı kapasitesinin deneysel olarak belirlenmesi, bir maddenin termodinamik özelliklerini belirlemek için ana seçenektir. Bir maddenin entropisi ve entalpisi hesaplanırken ısı kapasitesi integralleri kullanılır. Belirli bir sıcaklık aralığında kimyasal reaktiflerin ısı kapasitesi hakkında bilgi, işlemin termal etkisini hesaplamanıza olanak tanır. Çözümlerin ısı kapasitesi hakkında bilgi, analiz edilen aralıktaki herhangi bir sıcaklık değerinde termodinamik parametrelerinin hesaplanmasını mümkün kılar.
Örneğin, bir sıvı, potansiyel enerjinin değerini değiştirmek için ısının bir kısmının harcanması ile karakterize edilir.reaksiyona giren moleküller. Bu değer, çözümleri tanımlamak için kullanılan "yapılandırma" ısı kapasitesi olarak adlandırılır.
Bir maddenin termodinamik özelliklerini, kümelenme durumunu dikkate almadan tam teşekküllü matematiksel hesaplamalar yapmak zordur. Bu nedenle sıvılar, gazlar, katılar için, bir maddenin enerji parametrelerini karakterize etmeyi mümkün kılan özgül ısı kapasitesi gibi bir özellik kullanılır.
