Dujų šiluminė talpa – tai energijos kiekis, kurį kūnas sugeria, kai jis įkaista vienu laipsniu. Išanalizuokime pagrindines šio fizikinio dydžio charakteristikas.
Apibrėžimai
Savitoji dujų šiluma yra tam tikros medžiagos masės vienetas. Jo matavimo vienetai yra J/(kg·K). Šilumos kiekis, kurį organizmas sugeria keisdamas savo agregacijos būseną, yra susijęs ne tik su pradine ir galutine būsena, bet ir su perėjimo būdu.
Departamentas
Dujų šiluminė talpa dalijama iš vertės, nustatytos esant pastoviam tūriui (Cv), pastoviam slėgiui (Cр).
Kai šildomas nekeičiant slėgio, dalis šilumos išleidžiama dujų plėtimosi darbui, o dalis energijos – vidinei energijai padidinti.
Dujų šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui nustatoma pagal šilumos kiekį, kuris išleidžiamas didinant vidinę energiją.
Dujų būsena: savybės, aprašymas
Idealiųjų dujų šiluminė talpa nustatoma atsižvelgiant į tai, kad Сp-Сv=R. Pastarasis dydis vadinamas universalia dujų konstanta. Jo reikšmė atitinka 8,314 J/(mol K).
Atliekant teorinius šiluminės talpos skaičiavimus, pavyzdžiui, aprašant ryšį su temperatūra, neužtenka naudoti vien termodinaminius metodus, svarbu apsiginkluoti statinės fizikos elementais.
Dujų šiluminė talpa apima kai kurių molekulių transliacinio judėjimo energijos vidutinės vertės apskaičiavimą. Toks judėjimas apibendrinamas iš molekulės sukimosi ir transliacijos judėjimo, taip pat iš vidinių atomų virpesių.
Statinėje fizikoje yra informacijos, kad kiekvienam sukamojo ir transliacinio judėjimo laisvės laipsniui yra dujų kiekis, lygus pusei visuotinės dujų konstantos.
Įdomūs faktai
Manoma, kad vienatominių dujų dalelė turi tris transliacinius laisvės laipsnius, todėl specifinė dujų šiluma turi tris transliacinius, du sukimosi ir vieną virpesių laisvės laipsnius. Jų vienodo pasiskirstymo dėsnis lemia, kad savitoji šiluma esant pastoviam tūriui prilyginama R.
Eksperimentų metu buvo nustatyta, kad dviatomių dujų šiluminė talpa atitinka reikšmę R. Toks teorijos ir praktikos neatitikimas paaiškinamas tuo, kad idealių dujų šiluminė talpa siejama su kvantine poveikį, todėl atliekant skaičiavimus svarbu naudoti kvantine grįstą statistikąmechanika.
Remiantis kvantinės mechanikos pagrindais, bet kuri svyruojančių arba besisukančių dalelių sistema, įskaitant dujų molekules, turi tik tam tikras atskiras energijos reikšmes.
Jei šiluminio judėjimo energijos sistemoje nepakanka tam tikro dažnio virpesiams sužadinti, tokie judesiai neprisideda prie bendros sistemos šiluminės talpos.
Dėl to tam tikras laisvės laipsnis „užstingsta“, jam neįmanoma taikyti lygiavertiškumo dėsnio.
Dujų šiluminė talpa yra svarbi būklės, nuo kurios priklauso visos termodinaminės sistemos veikimas, charakteristika.
Temperatūra, kuriai esant pusiausvyros dėsnį galima pritaikyti vibraciniam ar sukimosi laisvės laipsniui, apibūdinama kvantine teorija, jungia Plancko konstantą su Boltzmanno konstanta.
Diatominės dujos
Skirtumai tarp tokių dujų sukimosi energijos lygių yra nedidelis laipsnių skaičius. Išimtis yra vandenilis, kurio temperatūros reikšmė nustatoma šimtais laipsnių.
Štai kodėl pastovaus slėgio dujų šiluminę talpą sunku apibūdinti tolygaus pasiskirstymo dėsniu. Kvantinėje statistikoje, nustatant šiluminę talpą, atsižvelgiama į tai, kad jos vibracinė dalis temperatūrai mažėjant greitai mažėja ir pasiekia nulį.
Šis reiškinys paaiškina faktą, kad kambario temperatūroje praktiškai nėra vibracinės šiluminės talpos dalies,dviatomės dujos, tai atitinka konstantą R.
Dujų šiluminė talpa esant pastoviam tūriui žemos temperatūros indikatorių atveju nustatoma naudojant kvantinę statistiką. Yra Nernsto principas, vadinamas trečiuoju termodinamikos dėsniu. Remiantis jo sudėtimi, dujų molinė šiluminė talpa mažėjant temperatūrai mažės, link nulio.
Kietųjų kūnų savybės
Jei dujų mišinio šiluminę talpą galima paaiškinti naudojant kvantinę statistiką, tai esant kietajai agregacijos būsenai, šiluminis judėjimas pasižymi nedideliais dalelių svyravimais netoli pusiausvyros padėties.
Kiekvienas atomas turi tris vibracinius laisvės laipsnius, todėl pagal pusiausvyros dėsnį kietosios medžiagos molinė šiluminė talpa gali būti apskaičiuojama kaip 3nR, o n yra atomų skaičius molekulėje.
Praktiškai šis skaičius yra riba, iki kurios linksta kieto kūno šiluminė talpa esant aukštai temperatūrai.
Didžiausią kai kurių elementų, įskaitant metalus, temperatūrą galima gauti įprastoje temperatūroje. Jei n=1, Dulongo ir Petit dėsnis yra įvykdytas, tačiau sudėtingoms medžiagoms tokią ribą pasiekti gana sunku. Kadangi realybėje ribos negalima nustatyti, kietoji medžiaga skyla arba tirpsta.
Kvantinės teorijos istorija
Kvantinės teorijos įkūrėjai yra Einšteinas ir Debye XX amžiaus pradžioje. Jis pagrįstas atomų svyruojančių judesių kvantavimu tam tikramekrištolas. Esant žemos temperatūros indikatoriams, kieto kūno šiluminė talpa pasirodo esanti tiesiogiai proporcinga absoliučiai vertei, paimtai kubu. Šis santykis buvo vadinamas Debye įstatymu. Kaip kriterijus, leidžiantis atskirti žemos ir aukštos temperatūros indikatorius, imamas jų palyginimas su Debye temperatūra.
Šią reikšmę lemia atomo virpesių spektras kūne, todėl ji labai priklauso nuo jo kristalinės struktūros ypatybių.
QD yra reikšmė, turinti kelis šimtus K, bet, pavyzdžiui, deimantuose ji yra daug didesnė.
Laidumo elektronai labai prisideda prie metalų šiluminės talpos. Jai apskaičiuoti naudojama Fermi kvantinė statistika. Metalo atomų elektroninis laidumas yra tiesiogiai proporcingas absoliučiai temperatūrai. Kadangi tai nereikšminga reikšmė, į ją atsižvelgiama tik esant temperatūrai, kuri linkusi iki absoliutaus nulio.
Šiluminės talpos nustatymo metodai
Pagrindinis eksperimentinis metodas yra kalorimetrija. Teoriniam šilumos talpos skaičiavimui atlikti naudojama statistinė termodinamika. Tai galioja idealioms dujoms, taip pat kristaliniams kūnams, atliekama remiantis eksperimentiniais medžiagos sandaros duomenimis.
Empiriniai idealių dujų šiluminės talpos skaičiavimo metodai yra pagrįsti cheminės struktūros idėja, atskirų atomų grupių indėliu į Ср.
Skysčiams taip pat naudojami metodai, pagrįsti termodinamikos naudojimuciklai, leidžiantys nuo idealių dujų šiluminės talpos pereiti prie skysčio per garavimo proceso entalpijos temperatūros išvestinę.
Nr.
Norėdami įvertinti, mums reikia molekulinės statistinės sprendimų teorijos. Sunkiausia yra identifikuoti heterogeninių sistemų šiluminę talpą atliekant termodinaminę analizę.
Išvada
Šiluminės talpos tyrimas leidžia apskaičiuoti procesų, vykstančių cheminiuose reaktoriuose, taip pat kituose chemijos gamybos aparatuose, energijos balansą. Be to, ši vertė būtina norint pasirinkti optimalius aušinimo skysčių tipus.
Šiuo metu eksperimentinis medžiagų šiluminės talpos nustatymas įvairiems temperatūrų intervalams – nuo mažų verčių iki didelių verčių – yra pagrindinis būdas nustatyti medžiagos termodinamines charakteristikas. Skaičiuojant medžiagos entropiją ir entalpiją, naudojami šiluminės talpos integralai. Informacija apie cheminių reagentų šiluminę talpą tam tikrame temperatūros diapazone leidžia apskaičiuoti proceso šiluminį poveikį. Informacija apie tirpalų šiluminę talpą leidžia apskaičiuoti jų termodinaminius parametrus esant bet kokioms temperatūros reikšmėms analizuojamame intervale.
Pavyzdžiui, skystis apibūdinamas tuo, kad dalis šilumos sunaudojama potencialios energijos vertei pakeistireaguojančios molekulės. Ši vertė vadinama „konfigūracijos“šilumos talpa, naudojama sprendimams apibūdinti.
Sunku atlikti visaverčius matematinius skaičiavimus, neatsižvelgiant į medžiagos termodinamines charakteristikas, jos agregacijos būseną. Štai kodėl skysčiams, dujoms, kietoms medžiagoms naudojama tokia charakteristika kaip savitoji šiluminė talpa, kuri leidžia apibūdinti medžiagos energetinius parametrus.
