Kaasun lämpökapasiteetti on energiamäärä, jonka keho imee, kun sitä kuumennetaan yhdellä asteella. Analysoidaan tämän fyysisen suuren pääominaisuudet.
Määritelmät
Kaasun ominaislämpö on tietyn aineen massayksikkö. Sen mittayksiköt ovat J/(kg·K). Lämmön määrä, jonka keho absorboi aggregaatiotilan muuttamisen prosessissa, ei liity ainoastaan alku- ja lopputilaan, vaan myös siirtymätapaan.
Osasto
Kaasujen lämpökapasiteetti jaetaan vakiotilavuudessa (Cv), vakiopaineessa (Cр) määritetyllä arvolla.
Kun lämmitetään ilman paineen muutosta, osa lämmöstä kuluu kaasun paisuntatyön tuottamiseen ja osa energiasta käytetään sisäisen energian lisäämiseen.
Kaasujen lämpökapasiteetti vakiopaineessa määräytyy sisäisen energian lisäämiseen kulutetun lämpömäärän mukaan.
Kaasun tila: ominaisuudet, kuvaus
Ideaalikaasun lämpökapasiteetti määritetään ottaen huomioon, että Сp-Сv=R. Jälkimmäistä suuruutta kutsutaan yleiskaasuvakioksi. Sen arvo vastaa 8,314 J/(mol K).
Lämpökapasiteetin teoreettisia laskelmia suoritettaessa, esimerkiksi kuvaamalla suhdetta lämpötilaan, ei riitä, että käytetään vain termodynaamisia menetelmiä, vaan on tärkeää varustautua staattisen fysiikan elementeillä.
Kaasujen lämpökapasiteettiin sisältyy joidenkin molekyylien translaatioliikkeen energian keskiarvon laskeminen. Tällainen liike lasketaan yhteen molekyylin pyörimis- ja translaatioliikkeestä sekä atomien sisäisistä värähtelyistä.
Staattisessa fysiikassa on tietoa, että jokaiselle pyörimis- ja translaatioliikkeen vapausasteelle on kaasulle määrä, joka on yhtä suuri kuin puolet yleisestä kaasuvakiosta.
Mielenkiintoisia faktoja
Yksiatomisen kaasun hiukkasella oletetaan olevan kolme translaatiovapausastetta, joten kaasun ominaislämmöllä on kolme translaatio-, kaksi rotaatio- ja yksi värähtelyvapausastetta. Niiden tasaisen jakautumisen laki johtaa vakiotilavuuden ominaislämmön rinnastamiseen R.
Kokeiden aikana havaittiin, että kaksiatomisen kaasun lämpökapasiteetti vastaa arvoa R. Tällainen teorian ja käytännön välinen ristiriita selittyy sillä, että ihanteellisen kaasun lämpökapasiteetti liittyy kvanttiin. vaikutukset, joten laskelmia tehtäessä on tärkeää käyttää kvanttipohjaisia tilastojamekaniikka.
Kvanttimekaniikan perusteiden perusteella kaikilla värähtelevillä tai pyörivillä hiukkasjärjestelmillä, mukaan lukien kaasumolekyylit, on vain joitakin erillisiä energia-arvoja.
Jos järjestelmän lämpöliikkeen energia ei riitä herättämään tietyntaajuisia värähtelyjä, tällaiset liikkeet eivät vaikuta järjestelmän kokonaislämpökapasiteettiin.
Tämän seurauksena tietty vapausaste "jäätyy", siihen on mahdotonta soveltaa tasa-arvolakia.
Kaasujen lämpökapasiteetti on tärkeä ominaisuus tilalle, josta koko termodynaamisen järjestelmän toiminta riippuu.
Lämpötilaa, jossa tasa-arvon lakia voidaan soveltaa värähtely- tai rotaatiovapausasteeseen, luonnehtii kvanttiteoria, ja se yhdistää Planckin vakion Boltzmannin vakioon.
Diatomiset kaasut
Tällaisten kaasujen pyörimisenergiatasojen väliset raot ovat pieniä asteita. Poikkeuksena on vety, jossa lämpötila-arvo määräytyy satojen asteiden mukaan.
Siksi kaasun lämpökapasiteettia vakiopaineessa on vaikea kuvata tasaisen jakautumisen lailla. Kvanttitilastoissa lämpökapasiteettia määritettäessä otetaan huomioon, että sen värähtelyosa lämpötilan laskun tapauksessa laskee nopeasti ja saavuttaa nollan.
Tämä ilmiö selittää sen tosiasian, että huoneenlämpötilassa lämpökapasiteetissa ei käytännössä ole värähtelevää osaa,kaksiatominen kaasu, se vastaa vakiota R.
Kaasun lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa matalan lämpötilan indikaattoreiden tapauksessa määritetään kvanttitilastoilla. On olemassa Nernstin periaate, jota kutsutaan termodynamiikan kolmanneksi pääsäännöksi. Kaasun molaarinen lämpökapasiteetti laskee koostumuksensa mukaan lämpötilan alenemisen myötä nollaan.
Kiinteän aineen ominaisuudet
Jos kaasuseoksen lämpökapasiteetti voidaan selittää kvanttitilastoilla, niin kiinteässä aggregaatiotilassa lämpöliikkeelle on ominaista hiukkasten pienet vaihtelut lähellä tasapainoasemaa.
Jokaisella atomilla on kolme värähtelyn vapausastetta, joten tasajakolain mukaan kiinteän aineen molaarinen lämpökapasiteetti voidaan laskea arvoksi 3nR, jolloin n on atomien lukumäärä molekyylissä.
Käytännössä tämä luku on raja, johon kiinteän kappaleen lämpökapasiteetti pyrkii korkeissa lämpötiloissa.
Maksimi voidaan saavuttaa tavallisissa lämpötiloissa joillekin elementeille, mukaan lukien metallit. Kun n=1, Dulongin ja Petit-laki täyttyy, mutta monimutkaisille aineille on melko vaikea saavuttaa tällaista rajaa. Koska rajaa ei todellisuudessa voida saada, tapahtuu kiinteän aineen hajoamista tai sulamista.
Kvanttiteorian historia
Kvanttiteorian perustajat ovat Einstein ja Debye 1900-luvun alussa. Se perustuu atomien värähtelyliikkeiden kvantisointiin tietyssäkristalli. Matalalämpötila-indikaattoreiden tapauksessa kiinteän kappaleen lämpökapasiteetti osoittautuu suoraan verrannolliseksi kuutioituna itseisarvoon. Tätä suhdetta on kutsuttu Debyen laiksi. Kriteerinä, jonka avulla voidaan erottaa matalan ja korkean lämpötilan indikaattorit, otetaan niiden vertailu Debyen lämpötilaan.
Tämän arvon määrää kehossa olevan atomin värähtelyspektri, joten se riippuu vakavasti sen kiderakenteen ominaisuuksista.
QD on arvo, jolla on useita satoja K, mutta se on esimerkiksi paljon suurempi timantissa.
Johtoelektronien osuus metallien lämpökapasiteetista on merkittävä. Sen laskemiseen käytetään Fermin kvanttitilastoa. Metalliatomien elektronijohtavuus on suoraan verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan. Koska se on merkityksetön arvo, se otetaan huomioon vain lämpötiloissa, jotka pyrkivät absoluuttiseen nollaan.
Lämpökapasiteetin määritysmenetelmät
Pääasiallinen kokeellinen menetelmä on kalorimetria. Lämpökapasiteetin teoreettisen laskennan suorittamiseksi käytetään tilastollista termodynamiikkaa. Se pätee ihanteelliselle kaasulle, samoin kuin kiteisille kappaleille, on suoritettu aineen rakennetta koskevien kokeellisten tietojen perusteella.
Empiiriset menetelmät ihanteellisen kaasun lämpökapasiteetin laskemiseksi perustuvat ajatukseen kemiallisesta rakenteesta, yksittäisten atomiryhmien osuudesta Ср.
Nesteille käytetään myös menetelmiä, jotka perustuvat termodynaamisen käyttöönsyklit, jotka mahdollistavat siirtymisen ihanteellisen kaasun lämpökapasiteetista nesteeseen haihtumisprosessin entalpian lämpötilan derivaatan kautta.
Ratkaisun tapauksessa lämpökapasiteetin laskeminen summausfunktiona ei ole sallittua, koska liuoksen lämpökapasiteetin yliarvo on periaatteessa merkittävä.
Arvioidaksemme sen, tarvitsemme ratkaisujen molekyyli-statistisen teorian. Vaikein on heterogeenisten järjestelmien lämpökapasiteetin tunnistaminen termodynaamisessa analyysissä.
Johtopäätös
Lämpökapasiteettitutkimuksen avulla voit laskea kemiallisten reaktoreiden sekä muiden kemian tuotantolaitteiden prosessien energiatasetta. Lisäksi tämä arvo on välttämätön optimaalisten jäähdytysnesteiden valinnassa.
Tällä hetkellä aineiden lämpökapasiteetin kokeellinen määritys eri lämpötilaväleillä - alhaisista arvoista korkeisiin arvoihin - on tärkein vaihtoehto aineen termodynaamisten ominaisuuksien määrittämisessä. Aineen entropiaa ja entalpiaa laskettaessa käytetään lämpökapasiteettiintegraaleja. Tietoa kemiallisten reagenssien lämpökapasiteetista tietyllä lämpötila-alueella voit laskea prosessin lämpövaikutuksen. Tieto liuosten lämpökapasiteetista mahdollistaa niiden termodynaamisten parametrien laskemisen missä tahansa lämpötila-arvossa analysoidun aikavälin sisällä.
Esimerkiksi nesteelle on tunnusomaista se, että osa lämmöstä kuluu potentiaalisen energian arvon muuttamiseksireagoivia molekyylejä. Tätä arvoa kutsutaan "kokoonpanon" lämpökapasiteetiksi, jota käytetään kuvaamaan ratkaisuja.
On vaikea suorittaa täysimittaisia matemaattisia laskelmia ottamatta huomioon aineen termodynaamisia ominaisuuksia ja sen aggregaatiotilaa. Siksi nesteille, kaasuille, kiinteille aineille käytetään ominaista lämpökapasiteettia, joka mahdollistaa aineen energiaparametrien karakterisoinnin.
