Toplotna zmogljivost plinov - kaj je to? Specifična toplota plina

Toplotna prostornina plina je količina energije, ki absorbira telo, ko gre za eno stopinjo. Analiziramo glavne značilnosti določene fizične količine.

Opredelitve

Specifična toplotna moč plina je masa enote določene snovi. Merske enote so J / (kgmiddot-K). Količina toplote, ki jo telo absorbira v procesu spreminjanja agregatnega stanja, je povezana ne samo z začetnim in končnim stanjem, temveč tudi z metodo prehoda.

Podrazdelitev

Specifična toplota plinov se deli s količino, določeno za nespremenjeno količino (C_v), konstantni tlak (C_str).

V primeru ogrevanja brez spreminjanja tlaka se porabi nekaj toplote pri proizvodnji ekspanzijskega dela plina, nekaj energije pa porabi za povečanje notranje energije.

Toplotna prostornina plinov pri konstantnem tlaku se določi s količino toplote, ki se porabi za povečanje notranje energije.

Plinasto stanje: funkcije, opis

Specifična toplota idealnega plina se določi ob upoštevanju, da C_str-C_v= R. Slednja količina se imenuje univerzalna plinska konstanta. Njegova vrednost ustreza 8.314 J / (Molmiddot-K).

Pri izvajanju teoretičnih izračunov toplotne kapacitete, na primer, ki opisuje razmerje s temperaturo, ni dovolj, če uporabljamo samo termodinamične metode, pomembno je, da se obvladujemo s elementi statične fizike.

Toplotna zmogljivost plinov vključuje izračun povprečne vrednosti translacijske energije gibanja nekaterih molekul. Tovrstni premik se povzame iz rotacijskega in translacijskega gibanja molekule, pa tudi iz notranjih vibracij atomov.

V statični fiziki obstajajo podatki, da za vsako stopnjo svobode rotacijskega in translacijskega gibanja obstaja vrednost za plin, ki je enak polovici univerzalne plinske konstante.

Zanimiva dejstva

Predpostavlja se, da ima delec monatomskega plina tri translacijske stopnje svobode, zato ima specifična toplota plina tri translacijske, dve rotacijski in eno vibracijsko stopnjo svobode. Zakon o njihovi enakomerni porazdelitvi vodi v enačenje specifične toplote z nespremenjenim volumnom na R.

V poskusih je bilo ugotovljeno, da je specifična toplota dvoatomarnega plina ustreza R. vrednost Razkorak med teorijo in prakso je mogoče pojasniti z dejstvom, da je toplotna kapaciteta idealnega plina v zvezi z kvantnih učinkov, zato v izračunih je pomembno, da uporabi statistične podatke, ki temeljijo na kvantni mehaniki.

Izhajajoč iz temeljev kvantne mehanike, vsak sistem delcev, ki vibrirajo ali vrtijo, vključno z molekulami plinov, ima le določene diskretne energijske vrednosti.

Če energija termičnega gibanja v sistemu ne zadošča za vzbujanje nihanj določene frekvence, taki premiki ne prispevajo k skupni toplotni zmogljivosti sistema.

Posledica tega je, da stopnja svobode postane "zamrznjena", zato je nemogoče uporabiti zakon o enakopravnosti.

Toplotna kapaciteta plinov je pomembna značilnost države, na kateri je odvisno delovanje celotnega termodinamičnega sistema.

Temperaturo, pri kateri se lahko zakon equipartition uporablja za vibracijsko ali rotacijsko stopnjo svobode, je značilna s kvantno teorijo, povezana Planckova konstanta z Boltzmannovo konstanto.

Diatomski plini

Intervali med rotacijskimi nivoji energije takšnih plinov predstavljajo neznatno število stopinj. Edina izjema je vodik, pri katerem se temperatura določi na stotine stopinj.

Zato je toplotna prostornina plina pri konstantnem tlaku težko opisati z zakonom enakomerne porazdelitve. V kvantni statistiki pri določanju specifične toplote upoštevamo, da se njegov vibracijski del hitro zmanjša v primeru znižanja temperature in doseže nič.

Podoben pojav pojasnjuje dejstvo, da pri sobnih temperaturah praktično ni vibracijskega dela toplotne kapacitete, za diatomski plin pa ustreza konstantni vrednosti R.

Specifična toplota plina pri konstantnem volumnu pri nizkih temperaturnih indeksih se določi s pomočjo kvantne statistike. Obstaja Nernstovo načelo, ki se imenuje tretji zakon termodinamike. Na podlagi formulacije se bo molarna toplotna kapaciteta plina zmanjšala s padajočo temperaturo, ki se bo zmanjšala na nič.

Značilnosti trdnih snovi

Če je toplotno kapaciteto plinske mešanice mogoče razložiti s kvantno statistiko, potem je za trdno agregatno stanje za termično gibanje značilna zanemarljiva nihanja delcev blizu ravnovesnega položaja.

Vsak atom ima tri vibracijske prostostne stopnje, pa lahko, v skladu z zakonodajo ekviparticijski izrek molarne toplotne kapacitete trdnega telesa izračuna kot 3nR, kjer je n - število atomov v molekuli.

V praksi je takšno število meja, do katere se specifična toplota trdne snovi nagiba pri visokih temperaturah.

Najvišje možno doseči pri navadnih temperaturah za nekatere elemente, vključno s kovinami. Ko je n = 1, sta Dulong in Petit zakon izpolnjena, vendar za kompleksne snovi je to težko doseči. Ker v resnici ni mogoče doseči omejitve, pride do razkroja ali taljenja trdne snovi.

Zgodovina kvantne teorije

Ustanovitelji kvantne teorije so Einstein in Debye v začetku dvajsetega stoletja. Temelji na kvantizaciji vibracijskih gibov atomov v določenem kristalu. Pri indeksih nizkih temperatur se zdi, da je toplotna kapaciteta trdne snovi sorazmerna z absolutno vrednostjo v kocki. Ta odvisnost se je imenovala Debyejev zakon. Kot merilo, ki omogoča ločevanje med indikatorji nizkih in visokih temperatur, jih je treba primerjati s temperaturo Debye.

Takšna vrednost določi spekter vibracij atoma v telesu, zato je resno odvisna od značilnosti svoje kristalne strukture.

QD je količina, ki ima več sto K, vendar je na primer za diamant veliko višja.

Elektroni prevodnosti pomembno prispevajo k toplotni zmogljivosti kovin. Za izračun so uporabljene Fermijeve kvantne statistike. Elektronska prevodnost kovinskih atomov je neposredno sorazmerna z absolutno temperaturo. Ker je to nepomembna količina, se upošteva le pri temperaturah, ki imajo absolutno nič.

Metode za določanje toplotne moči

Glavna eksperimentalna metoda je kalorimetrija. Za izvedbo teoretičnega izračuna toplotne kapacitete se uporablja statistična termodinamika. Dopusten je za idealni plin, pa tudi za kristalna telesa, ki temelji na eksperimentalnih podatkih o strukturi snovi.

Empirične metode za izračun specifične toplote idealnega plina temeljijo na konceptu kemijske strukture, prispevku posameznih skupin atomov do C_str.

Za tekočine so tudi uporabljene metode temeljijo na uporabi krožna sprememba, ki omogoča premik od idealnega plina toplotno kapaciteto za tekočino skozi derivata entalpijo temperature izparevanja.

V primeru raztopine izračunavanje specifične toplote kot aditivne funkcije ni dovoljeno, saj je presežna toplotna kapaciteta raztopine bistveno bistvena.

Da bi jo ovrednotili, potrebujemo molekularno-statistično teorijo rešitev. Najtežje je razkriti toplotno kapaciteto heterogenih sistemov v termodinamični analizi.

Zaključek

Študija toplotne kapacitete omogoča izračune energetsko ravnotežje procesi, ki se pojavljajo v kemičnih reaktorjih, pa tudi v drugih napravah kemične proizvodnje. Poleg tega je ta vrednost potrebna za izbiro optimalnih tipov hladilnega sredstva.

Trenutno se izvaja eksperimentalno določanje toplotne kapacitete snovi za različne temperaturne intervale - od nizkih do visokih vrednosti - osnovne različice določanja termodinamičnih lastnosti snovi. Pri izračunu entropije in entalpije snovi se uporabijo integrali toplotne kapacitete. Informacije o toplotni zmogljivosti kemičnih reagentov v določenem temperaturnem območju nam omogočajo izračun toplotnega učinka procesa. Podatki o toplotni zmogljivosti rešitev omogočajo njihovo izračunavanje termodinamski parametri pri vseh temperaturnih vrednostih v analiziranem intervalu.

Na primer, za tekočino je za porabo dela toplote značilna sprememba velikosti potencialne energije reakcijskih molekul. Ta količina se imenuje "konfiguracija" toplotne kapacitete, ki se uporablja za opis rešitev.

Težko je opraviti popolne matematične izračune brez upoštevanja termodinamičnih lastnosti snovi, agregatnega stanja. Zato se karakteristika uporablja za tekočine, pline, trdne snovi, kot je specifična toplota, kar omogoča karakterizacijo energijskih parametrov snovi.