Лекція 6, контент-платформа

6.1. Поняття теплоємності.

Коли однакову кількість енергії передано тіл рівної маси, але складаються з різних речовин, то підвищення температури цих тіл неоднаково. Властивість речовини, від якого залежить відмінність температур тіл при нагріванні, називають теплоємністю речовини.

Кількість теплоти, необхідне для підвищення температури тіла на 10К (10С), є характеристичною величиною для даного тіла. Ця величина отримала назву теплоємності тіла.

Теплоємність тіла це фізична величина, яка дорівнює кількості теплоти, яку необхідно повідомити тілу, щоб змінити його температуру на 10К.

Теплоємність речовини - теплоємність одиниці маси даної речовини. Одиниці виміру - Дж / (кг К).

Тобто в інших словах, якщо наприклад питома теплоємність води дорівнює 4,2 кДж / (кг * К) - це означає, що для того, щоб нагріти один кг води на один градус, необхідно передати цьому кг води 4,2 кДж енергії.

Питома теплоємність для будь-якої речовини залежить від температури і агрегатного стану речовини.

Якщо продовжувати приклад з водою, то її питома теплоємність для 0 ° С дорівнює 4,218, а при 40 ° С 4,178 кДж / (кг * К). Для льоду теплоємність ще нижче - 2,11 кДж / (кг * К) для льоду з температурою 0 ° С.

Питомі теплоємності багатьох речовин наведені в довідниках зазвичай для процесу при постійному тиску.

Що стосується води, необхідно відзначити, що це рідина з найвищим значенням питомої теплоємності. Іншими словами, щоб забезпечити задану кількість температури, вода повинна поглинути або віддати кількість тепла значно більше, ніж будь-яке інше тіло такої ж маси.

У зв'язку з цим стає зрозумілим інтерес до води, коли потрібно забезпечити штучний теплообмін.

Теплоємність і сама залежить від температури: нагрів тіла від 0 до +10 С, або від 01.01.01С, вимагає різних кількостей теплоти.

Якщо при нагріванні тіла від Т1 до Т2 воно отримало кількість теплоти Q, то теплоємність тіла буде чисельно дорівнює:

Якщо до складу тіла входить тільки одна речовина, то теплоємність цього тіла пропорційна його масі:.

Коефіцієнт пропорційності с, що характеризує дану речовину, називається його питомою теплоємністю.

Питома теплоємність речовини це фізична величина, що чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідного для підвищення температури одиниці маси (1 кг) речовини на 10К.

Якщо при нагріванні тіла масою від Т1 до Т2 воно отримало кількість теплоти Q, то теплоємність речовини, з якого виготовлено це тіло буде чисельно дорівнює:

Методи молекулярно-кінетичної теорії застосовуються при поясненні природи теплоємності твердого тіла. Найпростішою моделлю кристалічної будови твердого тіла є правильно побудована кристалічна решітка, у вузлах якої поміщаються атоми, які вчиняють теплові коливання близько положень рівноваги. Передача тепла твердого тіла від іншого тіла або з навколишнього середовища змушує ці атоми коливатися швидше. Енергія коливань атомів складається з кінетичної і потенційної.

Значення теплоємність коливаються в досить широких межах. Крім того, теплоємності всіх тіл, як правило, зменшуються з падінням температури і при температурах, близьких до абсолютного нуля, приймають мізерно малі значення.

Різниця між теплоємності води і грунту є однією з причин, що визначають різницю між морським і континентальним кліматом. Володіючи приблизно в п'ять разів більшу теплоємність, ніж грунт, вода повільно нагрівається і так само повільно віддає своє тепло.

У найзагальнішому випадку для довільного тіла його теплоємність може залежати від параметрів стану цього тіла, наприклад, від його температури або обсягу. Очевидно, що теплоємність термодинамічної системи змінюється при зміні кількості речовини в ній. Для систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, їх теплоємність пропорційна кількості речовини. Це дозволяє ввести для опису властивостей тіла питому теплоємність:

і, відповідно, молярна теплоємність:

де: - маса тіла, - кількість речовини в ньому.

Молярна теплоємність - теплоємність 1 благаючи даної речовини. Одиниці виміру - Дж / (моль К).

Ці теплоємності пов'язані між собою через молярну масу наступним співвідношенням:

Теплоємність, так само як і кількість переданої тілу теплоти, залежить від того, яким чином, а точніше при здійсненні якого процесу, теплота передавалася цьому тілу.

Ці результати вказують, зокрема, на те, що теплоємність газів не залежить від температури. Експерименти показали, що при низьких і високих температурах поведінку теплоємності багатьох газів (особливо багатоатомних) може помітно відрізнятися від поведінки, яке пропонується класичною теорією. Так, наприклад, теплоємність водню. рівна при звичайних (кімнатних) температурах (5/2) R, знижується до (3/2) R при температурах нижче 100К, т. е. при цих температурах водень починає вести себе як одноатомний газ. Експериментально встановлено також, що теплоємності всіх тел прагнуть до нуля при наближенні температури до абсолютного нуля.

6.2. Газова постійна універсальна

Газова постійна універсальна (молярна) (R) фундаментальна фізична константа, що входить в рівняння стану 1 моля ідеального газу:.

Газова постійна чисельно дорівнює роботі розширення 1 моля ідеального газу під постійним тиском при нагріванні нa 1 K. З іншого боку, газова постійна - різниця молярних теплоємностей при постійному тиску і постійному об'ємі: (для газів, близьких за своїми властивостями до ідеального). Чисельне значення газової постійної в одиницях СІ (на 1984 рік): R = 8,31441 (26) Дж / (). В ін. Одиницях: ерг / () = 1,9872кал / () = 82,057 / (). Фізичну постійну (де - молекулярна маса гaзa) називають питомою газової постійної.