ظرفیت گرمایی یک گاز مقدار انرژی است که یک جسم با گرم شدن یک درجه جذب می کند. بیایید ویژگی های اصلی این کمیت فیزیکی را تجزیه و تحلیل کنیم.
تعریف
گرمای ویژه یک گاز واحد جرم یک ماده خاص است. واحدهای اندازه گیری آن J/(kg·K) است. مقدار گرمایی که بدن در فرآیند تغییر حالت تجمع جذب می کند، نه تنها با حالت اولیه و نهایی، بلکه با روش انتقال نیز مرتبط است.
بخش
ظرفیت گرمایی گازها بر مقدار تعیین شده در حجم ثابت (Cv)، فشار ثابت (Cр) تقسیم می شود.
در گرمایش بدون تغییر فشار مقداری گرما برای تولید کار انبساط گاز و بخشی از انرژی صرف افزایش انرژی داخلی می شود.
ظرفیت گرمایی گازها در فشار ثابت با مقدار گرمایی که برای افزایش انرژی داخلی صرف می شود تعیین می شود.
وضعیت گاز: ویژگی ها، توضیحات
ظرفیت گرمایی یک گاز ایده آل با در نظر گرفتن این واقعیت تعیین می شود که Сp-Сv=R. کمیت اخیر ثابت گاز جهانی نامیده می شود. مقدار آن با 8.314 J/(mol K) مطابقت دارد.
هنگام انجام محاسبات نظری ظرفیت گرمایی، برای مثال، توصیف رابطه با دما، تنها استفاده از روشهای ترمودینامیکی کافی نیست، مهم است که خود را به عناصر فیزیک استاتیک مسلح کنید.
ظرفیت گرمایی گازها شامل محاسبه میانگین مقدار انرژی حرکت انتقالی برخی از مولکولها است. چنین حرکتی از حرکت چرخشی و انتقالی مولکول و همچنین از ارتعاشات داخلی اتم ها خلاصه می شود.
در فیزیک ایستا، اطلاعاتی وجود دارد که به ازای هر درجه آزادی حرکت چرخشی و انتقالی، مقداری برای گاز وجود دارد که برابر با نصف ثابت گاز جهانی است.
حقایق جالب
یک ذره گاز تک اتمی دارای سه درجه آزادی انتقالی فرض می شود، بنابراین گرمای ویژه یک گاز دارای سه درجه آزادی انتقالی، دو دورانی و یک درجه آزادی ارتعاشی است. قانون توزیع یکنواخت آنها منجر به معادل سازی گرمای ویژه در حجم ثابت با R.
می شود.
در طول آزمایش‌ها، مشخص شد که ظرفیت گرمایی یک گاز دو اتمی با مقدار R مطابقت دارد. چنین اختلافی بین نظریه و عمل با این واقعیت توضیح داده می‌شود که ظرفیت گرمایی یک گاز ایده‌آل با کوانتومی مرتبط است. اثرات، بنابراین، هنگام انجام محاسبات، استفاده از آمار بر اساس کوانتومی مهم استمکانیک.
بر اساس مبانی مکانیک کوانتومی، هر سیستمی از ذرات که در حال نوسان یا چرخش هستند، از جمله مولکول‌های گاز، فقط مقداری انرژی مجزا دارند.
اگر انرژی حرکت حرارتی در سیستم برای تحریک نوسانات با فرکانس معین کافی نباشد، چنین حرکاتی به کل ظرفیت گرمایی سیستم کمک نمی کند.
در نتیجه، درجه خاصی از آزادی "منجمد" می شود، غیرممکن است که قانون برابری را در آن اعمال کنیم.
ظرفیت گرمایی گازها مشخصه مهم حالتی است که عملکرد کل سیستم ترمودینامیکی به آن بستگی دارد.
دمایی که در آن می توان قانون همسانی تقسیم را برای درجه آزادی ارتعاشی یا چرخشی اعمال کرد، توسط نظریه کوانتومی مشخص می شود، ثابت پلانک را با ثابت بولتزمن متصل می کند.
گازهای دواتمی
شکاف بین سطوح انرژی دورانی چنین گازهایی تعداد کمی درجه است. استثنا هیدروژن است که در آن مقدار دما با صدها درجه تعیین می شود.
به همین دلیل است که توصیف ظرفیت گرمایی گاز در فشار ثابت با قانون توزیع یکنواخت دشوار است. در آمار کوانتومی، هنگام تعیین ظرفیت گرمایی، در نظر گرفته می شود که قسمت ارتعاشی آن در صورت کاهش دما، به سرعت کاهش می یابد و به صفر می رسد.
این پدیده این واقعیت را توضیح می دهد که در دمای اتاق عملاً هیچ بخش ارتعاشی از ظرفیت گرمایی وجود ندارد.گاز دواتمی، با ثابت R مطابقت دارد.
ظرفیت گرمایی یک گاز در حجم ثابت در مورد شاخص های دمای پایین با استفاده از آمار کوانتومی تعیین می شود. اصل نرنست وجود دارد که به آن قانون سوم ترمودینامیک می گویند. بر اساس فرمول آن، ظرفیت گرمایی مولی گاز با کاهش دما کاهش می‌یابد و به سمت صفر می‌رود.
ویژگی های جامدات
اگر ظرفیت گرمایی مخلوطی از گازها را بتوان با استفاده از آمار کوانتومی توضیح داد، برای حالت جامد تجمع، حرکت حرارتی با نوسانات جزئی ذرات نزدیک به موقعیت تعادل مشخص می شود.
هر اتم دارای سه درجه آزادی ارتعاشی است، بنابراین، مطابق با قانون برابری تقسیم، ظرفیت گرمایی مولی یک جامد را می توان به صورت 3nR محاسبه کرد که n تعداد اتم های یک مولکول است.
در عمل، این عدد حدی است که ظرفیت گرمایی جسم جامد در دماهای بالا به آن گرایش دارد.
حداکثر را می توان در دمای معمولی برای برخی عناصر از جمله فلزات به دست آورد. برای n=1، قانون Dulong و Petit برآورده شده است، اما برای مواد پیچیده رسیدن به چنین حدی دشوار است. از آنجایی که حد را نمی توان در واقعیت به دست آورد، تجزیه یا ذوب جامد اتفاق می افتد.
تاریخچه نظریه کوانتوم
بنیانگذاران نظریه کوانتومی اینشتین و دبای در آغاز قرن بیستم هستند. این بر اساس کوانتیزه کردن حرکات نوسانی اتم ها در یک معین استکریستال در مورد نشانگرهای دمای پایین، ظرفیت گرمایی یک جسم جامد به طور مستقیم با مقدار مطلق مکعب گرفته شده متناسب است. این رابطه را قانون دبای نامیده اند. به عنوان معیاری که تشخیص شاخص های دمای پایین و بالا را ممکن می سازد، مقایسه آنها با دمای Debye انجام می شود.
این مقدار توسط طیف ارتعاشات یک اتم در بدن تعیین می شود، بنابراین به طور جدی به ویژگی های ساختار کریستالی آن بستگی دارد.
QD مقداری است که چندین صد K دارد، اما، برای مثال، در الماس بسیار بالاتر است.
الکترون های رسانایی سهم قابل توجهی در ظرفیت گرمایی فلزات دارند. برای محاسبه آن از آمار کوانتومی فرمی استفاده شده است. رسانایی الکترونیکی اتم های فلزی با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد. از آنجایی که این مقدار ناچیز است، فقط در دمایی که به صفر مطلق می‌رسد، در نظر گرفته می‌شود.
روشهای تعیین ظرفیت گرمایی
روش آزمایشی اصلی کالریمتری است. برای انجام یک محاسبه نظری ظرفیت حرارتی، ترمودینامیک آماری استفاده می شود. این برای یک گاز ایده آل و همچنین برای اجسام کریستالی معتبر است و بر اساس داده های تجربی در مورد ساختار ماده انجام می شود.
روشهای تجربی برای محاسبه ظرفیت گرمایی یک گاز ایده‌آل مبتنی بر ایده ساختار شیمیایی، سهم گروه‌های جداگانه اتم‌ها در р است.
برای مایعات نیز از روش هایی استفاده می شود که مبتنی بر استفاده از ترمودینامیکی استچرخه هایی که عبور از ظرفیت گرمایی یک گاز ایده آل را به مایع از طریق مشتقات دمای آنتالپی فرآیند تبخیر ممکن می کند.
در مورد یک محلول، محاسبه ظرفیت گرمایی به عنوان تابع افزایشی مجاز نیست، زیرا مقدار اضافی ظرفیت گرمایی محلول اساساً قابل توجه است.
برای ارزیابی آن، به نظریه مولکولی-آماری محلول ها نیاز داریم. دشوارترین آنها شناسایی ظرفیت گرمایی سیستم های ناهمگن در آنالیز ترمودینامیکی است.
نتیجه گیری
مطالعه ظرفیت گرمایی به شما امکان می دهد تعادل انرژی فرآیندهای رخ داده در راکتورهای شیمیایی و همچنین سایر دستگاه های تولید مواد شیمیایی را محاسبه کنید. علاوه بر این، این مقدار برای انتخاب انواع خنک کننده بهینه ضروری است.
در حال حاضر، تعیین تجربی ظرفیت حرارتی مواد برای فواصل دمایی مختلف - از مقادیر کم تا مقادیر زیاد - گزینه اصلی برای تعیین ویژگی‌های ترمودینامیکی یک ماده است. هنگام محاسبه آنتروپی و آنتالپی یک ماده، از انتگرال های ظرفیت گرمایی استفاده می شود. اطلاعات مربوط به ظرفیت گرمایی معرف های شیمیایی در یک محدوده دمایی خاص به شما امکان می دهد اثر حرارتی فرآیند را محاسبه کنید. اطلاعات مربوط به ظرفیت گرمایی محلول ها امکان محاسبه پارامترهای ترمودینامیکی آنها را در هر مقدار دمایی در بازه تحلیل شده ممکن می سازد.
برای مثال، یک مایع با صرف بخشی از گرما برای تغییر مقدار انرژی پتانسیل مشخص می شود.مولکول های واکنش دهنده این مقدار ظرفیت گرمایی "پیکربندی" نامیده می شود که برای توصیف راه حل ها استفاده می شود.
انجام محاسبات ریاضی کامل بدون در نظر گرفتن ویژگی های ترمودینامیکی یک ماده و وضعیت تجمع آن دشوار است. به همین دلیل است که برای مایعات، گازها، جامدات از مشخصه ای مانند ظرفیت گرمایی ویژه استفاده می شود که تعیین پارامترهای انرژی یک ماده را ممکن می سازد.
