Oznacza ciepło właściwe. Jakie jest ciepło właściwe?

Pojemność cieplna to zdolność do pochłaniania pewnej ilości ciepła podczas ogrzewania lub oddawania go podczas chłodzenia. Pojemność cieplna ciała to stosunek nieskończenie małej ilości ciepła otrzymanego przez ciało do odpowiedniego wzrostu jego wskaźników temperatury. Wartość mierzona jest w J/K. W praktyce stosuje się nieco inną wartość - pojemność cieplną właściwą.

Definicja

Co oznacza ciepło właściwe? Jest to wielkość odnosząca się do jednostkowej ilości substancji. Odpowiednio ilość substancji można mierzyć w metrach sześciennych, kilogramach, a nawet molach. Od czego to zależy? W fizyce pojemność cieplna zależy bezpośrednio od tego, do której jednostki ilościowej należy, co oznacza, że ​​rozróżnia się pojemność cieplną molową, masową i objętościową. W budownictwie pomiarów molowych nie spotkasz, ale cały czas spotkasz inne.

Co wpływa na pojemność cieplną właściwą?

Wiesz, jaka jest pojemność cieplna, ale jakie wartości wpływają na wskaźnik, nie jest jeszcze jasne. Na wartość ciepła właściwego wpływa bezpośrednio kilka składników: temperatura substancji, ciśnienie i inne właściwości termodynamiczne.

Wraz ze wzrostem temperatury produktu wzrasta jego pojemność cieplna właściwa, ale niektóre substancje mają w tej zależności całkowicie nieliniową krzywą. Na przykład wraz ze wzrostem wskaźników temperatury od zera do trzydziestu siedmiu stopni, pojemność cieplna właściwa wody zaczyna się zmniejszać, a jeśli granica wynosi od trzydziestu siedmiu do stu stopni, wskaźnik wręcz przeciwnie zwiększyć.

Warto zauważyć, że parametr zależy również od tego, jak mogą zmieniać się właściwości termodynamiczne produktu (ciśnienie, objętość itp.). Na przykład ciepło właściwe przy stabilnym ciśnieniu i przy stabilnej objętości będzie różne.

Jak obliczyć parametr?

Interesuje Cię jaka jest pojemność cieplna? Wzór obliczeniowy jest następujący: C=Q/(m·ΔT). Jakiego rodzaju są to znaczenia? Q to ilość ciepła, które produkt otrzymuje podczas ogrzewania (lub uwalnianego przez produkt podczas chłodzenia). m to masa produktu, a ΔT to różnica między końcową i początkową temperaturą produktu. Poniżej znajduje się tabela pojemności cieplnej niektórych materiałów.

Co można powiedzieć o obliczaniu pojemności cieplnej?

Obliczenie pojemności cieplnej nie jest zadaniem najłatwiejszym, zwłaszcza jeśli stosuje się wyłącznie metody termodynamiczne, nie da się tego zrobić dokładniej; Dlatego fizycy posługują się metodami fizyki statystycznej lub znajomością mikrostruktury produktów. Jak wykonać obliczenia dla gazu? Pojemność cieplną gazu oblicza się, obliczając średnią energię ruchu termicznego poszczególnych cząsteczek substancji. Ruchy molekularne mogą mieć charakter translacyjny lub rotacyjny, a wewnątrz cząsteczki może znajdować się cały atom lub wibracja atomów. Klasyczna statystyka mówi, że dla każdego stopnia swobody ruchów obrotowych i postępowych istnieje wartość molowa równa R/2, a dla każdego wibracyjnego stopnia swobody wartość równa R. Zasada ta nazywana jest także prawem ekwipartycji .

W tym przypadku cząstka gazu jednoatomowego ma tylko trzy translacyjne stopnie swobody, a zatem jej pojemność cieplna powinna wynosić 3R/2, co jest w doskonałej zgodności z eksperymentem. Każda cząsteczka gazu dwuatomowego wyróżnia się trzema translacyjnymi, dwoma rotacyjnymi i jednym wibracyjnym stopniem swobody, co oznacza, że ​​prawo ekwipartycji będzie równe 7R/2, a doświadczenie pokazało, że pojemność cieplna mola gazu dwuatomowego w zwykłej temperaturze wynosi 5R/2. Skąd taka rozbieżność pomiędzy teoriami? Wszystko wiąże się z tym, że przy ustalaniu pojemności cieplnej konieczne będzie uwzględnienie różnych efektów kwantowych, czyli innymi słowy wykorzystanie statystyki kwantowej. Jak widać, pojemność cieplna jest dość złożoną koncepcją.

Mechanika kwantowa mówi, że każdy układ cząstek, który wibruje lub obraca się, w tym cząsteczka gazu, może mieć pewne dyskretne wartości energii. Jeżeli energia ruchu termicznego w zainstalowanego systemu jest niewystarczający do wzbudzenia oscylacji o wymaganej częstotliwości, wówczas oscylacje te nie wpływają na pojemność cieplną układu.

W ciała stałe Oh ruch termiczny atomy są słabymi drganiami w pobliżu pewnych położeń równowagi, dotyczy to węzłów sieci krystalicznej. Atom ma trzy wibracyjne stopnie swobody i zgodnie z prawem molowa pojemność cieplna ciała stałego jest równa 3nR, gdzie n jest liczbą atomów obecnych w cząsteczce. W praktyce wartość ta jest granicą, do której dąży pojemność cieplna ciała w wysokich temperaturach. Wartość osiąga się przy normalnych zmianach temperatury wielu pierwiastków, dotyczy to również metali proste połączenia. Określa się również pojemność cieplną ołowiu i innych substancji.

A co z niskimi temperaturami?

Wiemy już, jaka jest pojemność cieplna, ale jeśli o tym porozmawiamy niskie temperatury, to jak w takim razie zostanie obliczona wartość? Jeśli mówimy o niskich temperaturach, to pojemność cieplna ciała stałego okazuje się wtedy proporcjonalna T 3 lub tzw. prawo pojemności cieplnej Debye’a. Główne kryterium, który umożliwia odróżnienie wysokich temperatur od niskich, polega na zwykłym porównaniu ich z parametrem charakterystycznym dla konkretnej substancji - może to być charakterystyka lub temperatura Debye'a q D. Prezentowana wartość wynika z widma drgań atomów w produkcie i w istotny sposób zależy od struktury kryształu.

W metalach elektrony przewodzące mają pewien udział w pojemności cieplnej. Tę część pojemności cieplnej oblicza się za pomocą statystyki Fermiego-Diraca, która uwzględnia elektrony. Elektroniczna pojemność cieplna metalu, która jest proporcjonalna do zwykłej pojemności cieplnej, jest stosunkowo małą wartością i wpływa na pojemność cieplną metalu tylko w temperaturach bliskich zera absolutnego. Wtedy pojemność cieplna sieci staje się bardzo mała i można ją pominąć.

Masowa pojemność cieplna

Masowa pojemność cieplna właściwa to ilość ciepła, którą należy dodać do jednostkowej masy substancji, aby ogrzać produkt o temperaturę jednostkową. Ilość ta oznaczona jest literą C i jest mierzona w dżulach podzielonych przez kilogram na kelwin – J/(kg·K). To wszystko, jeśli chodzi o masową pojemność cieplną.

Co to jest objętościowa pojemność cieplna?

Wolumetryczna pojemność cieplna to pewna ilość ciepła, którą należy dostarczyć do jednostkowej objętości produktu, aby ją ogrzać w jednostce temperatury. Wskaźnik ten mierzy się w dżulach podzielonych przez metr sześcienny na kelwin lub J/(m3 · K). W wielu podręcznikach budowlanych brana jest pod uwagę pojemność cieplna właściwa masie w pracy.

Praktyczne zastosowanie pojemności cieplnej w budownictwie

Wiele materiałów żaroodpornych jest aktywnie wykorzystywanych do budowy ścian żaroodpornych. Jest to niezwykle istotne w przypadku domów charakteryzujących się okresowym ogrzewaniem. Na przykład piec. Produkty ciepłochłonne i zbudowane z nich ściany doskonale akumulują ciepło i magazynują je okresy grzewcze czas i stopniowo oddawać ciepło po wyłączeniu systemu, co pozwala na utrzymanie akceptowalnej temperatury przez cały dzień.

Im więcej ciepła zgromadzi się w konstrukcji, tym bardziej komfortowa i stabilna będzie temperatura w pomieszczeniach.

Warto to zauważyć zwykła cegła i beton stosowane w budowie domów mają znacznie niższą pojemność cieplną niż styropian. Jeśli weźmiemy ecowool, ma on trzykrotnie większą pojemność cieplną niż beton. Należy zauważyć, że nie bez powodu masa występuje we wzorze na obliczenie pojemności cieplnej. Dzięki dużej, ogromnej masie betonu czy cegły w porównaniu do ecowoolu, pozwala kamiennym ścianom konstrukcji akumulować ogromne ilości ciepła i wygładzać wszelkie dobowe wahania temperatury. Tylko w sumie niewielka masa izolacji domy szkieletowe, pomimo dobrej pojemności cieplnej, jest najsłabszą strefą dla wszystkich technologie ramowe. Aby rozwiązać ten problem, we wszystkich domach instalowane są imponujące akumulatory ciepła. Co to jest? Są to elementy konstrukcyjne charakteryzujące się dużą masą i dość dobrą pojemnością cieplną.

Przykłady akumulatorów ciepła w praktyce

Co to mogło być? Na przykład niektóre wewnętrzne ceglane ściany, duży piec lub kominek, wylewki betonowe.

Meble w każdym domu czy mieszkaniu są doskonałym akumulatorem ciepła, ponieważ sklejka, płyta wiórowa i drewno potrafią faktycznie akumulować trzy razy więcej ciepła na kilogram wagi niż osławiona cegła.

Czy akumulatory termiczne mają jakieś wady? Oczywiście główną wadą tego podejścia jest to, że akumulator ciepła należy zaprojektować na etapie tworzenia układu dom szkieletowy. Wynika to z faktu, że jest ciężki i trzeba będzie to wziąć pod uwagę podczas tworzenia fundamentu, a następnie wyobrazić sobie, jak ten obiekt zostanie wkomponowany w wnętrze. Warto powiedzieć, że będziesz musiał wziąć pod uwagę nie tylko masę, ale w swojej pracy będziesz musiał ocenić obie cechy: masę i pojemność cieplną. Na przykład, jeśli jako akumulator ciepła użyjesz złota o niewiarygodnej masie dwudziestu ton na metr sześcienny, wówczas produkt będzie działał zgodnie z wymaganiami tylko o dwadzieścia trzy procent lepiej niż betonowa kostka ważąca dwie i pół tony.

Która substancja jest najbardziej odpowiednia na akumulator ciepła?

Najlepszym produktem na akumulator ciepła nie jest beton i cegła! Miedź, brąz i żelazo dobrze radzą sobie z tym zadaniem, są jednak bardzo ciężkie. Dziwne, ale najlepszym akumulatorem ciepła jest woda! Ciecz posiada imponującą pojemność cieplną, największą spośród dostępnych nam substancji. Jedynie gazy hel (5190 J/(kg K) i wodór (14300 J/(kg K)) mają większą pojemność cieplną, ale są one problematyczne w praktyce.W razie potrzeby i konieczności patrz tabela pojemności cieplnej potrzebnych substancji.

Przedstawmy teraz bardzo ważną charakterystykę termodynamiczną zwaną pojemność cieplna systemy(tradycyjnie oznaczane literą Z z różnymi indeksami).

Pojemność cieplna - wartość przyłączeniowy, zależy to od ilości substancji w systemie. Dlatego też wprowadzają specyficzna pojemność cieplna

I molowa pojemność cieplna

Ponieważ ilość ciepła nie jest funkcją stanu i zależy od procesu, pojemność cieplna będzie również zależeć od sposobu dostarczania ciepła do układu. Aby to zrozumieć, przypomnijmy sobie pierwszą zasadę termodynamiki. Dzielenie równości ( 2.4) na elementarny przyrost temperatura absolutna dT, otrzymujemy zależność

Drugi termin, jak widzieliśmy, zależy od rodzaju procesu. Należy zauważyć, że w ogólnym przypadku układu nieidealnego, którego oddziaływania cząstek (cząsteczek, atomów, jonów itp.) nie można zaniedbać (patrz na przykład § 2.5 poniżej, który uwzględnia gaz van der Waalsa), wewnętrzny energia zależy nie tylko od temperatury, ale także od objętości układu. Wyjaśnia to fakt, że energia oddziaływania zależy od odległości między oddziałującymi cząstkami. Kiedy zmienia się objętość układu, zmienia się koncentracja cząstek, odpowiednio zmienia się średnia odległość między nimi, a w konsekwencji zmienia się energia oddziaływania i cała energia wewnętrzna układu. Inaczej mówiąc, w ogólnym przypadku układu nieidealnego

Zatem w ogólnym przypadku pierwszego wyrazu nie można zapisać w postaci pochodnej całkowitej; pochodną całkowitą należy zastąpić pochodną cząstkową z dodatkowym wskazaniem stałej wartości, przy której jest ona obliczana. Na przykład dla procesu izochorycznego:

.

Lub dla procesu izobarycznego

Pochodną cząstkową zawartą w tym wyrażeniu oblicza się za pomocą równania stanu układu zapisanego w postaci. Na przykład w szczególnym przypadku gaz doskonały

ta pochodna jest równa

.

Rozważymy dwa szczególne przypadki odpowiadające procesowi dodawania ciepła:

• stała objętość;
• stałe ciśnienie w układzie.

W pierwszym przypadku praca dA = 0 i otrzymujemy pojemność cieplną C V gaz doskonały przy stałej objętości:

Uwzględniając powyższe zastrzeżenie, dla układu nieidealnego relację (2.19) należy zapisać następująco ogólna perspektywa

Wymiana w 2.7 on i dalej natychmiast otrzymujemy:

.

Aby obliczyć pojemność cieplną gazu doskonałego ze str przy stałym ciśnieniu ( dp = 0) weźmiemy pod uwagę, że z równania ( 2.8) następuje po wyrażeniu oznaczającym pracę elementarną przy nieskończenie małej zmianie temperatury

W końcu dostajemy

Dzieląc to równanie przez liczbę moli substancji w układzie, otrzymujemy podobną zależność dla molowych pojemności cieplnych przy stałej objętości i ciśnieniu, tzw. Relacja Mayera

Podajmy to w celach informacyjnych ogólna formuła- dla układu dowolnego - łączenie izochorycznych i izobarycznych pojemności cieplnych:

Wyrażenia (2.20) i (2.21) otrzymuje się z tego wzoru, podstawiając do niego wyrażenie na energia wewnętrzna gaz doskonały i używając równania stanu (patrz wyżej):

.

Pojemność cieplna danej masy substancji przy stałym ciśnieniu jest większa niż pojemność cieplna przy stałej objętości, ponieważ część dostarczonej energii jest wydawana na wykonanie pracy i do tego samego ogrzewania potrzeba więcej ciepła. Zauważmy, że z (2.21) wynika znaczenie fizyczne stała gazowa:

Okazuje się zatem, że pojemność cieplna zależy nie tylko od rodzaju substancji, ale także od warunków, w jakich zachodzi proces zmiany temperatury.

Jak widzimy, izochoryczne i izobaryczne pojemności cieplne gazu doskonałego nie zależą od temperatury gazu; w przypadku substancji rzeczywistych te pojemności cieplne zależą również, ogólnie rzecz biorąc, od samej temperatury T.

Izochoryczne i izobaryczne pojemności cieplne gazu doskonałego można obliczyć bezpośrednio z ogólnej definicji, jeśli zastosujemy powyższe wzory ( 2.7) oraz (2.10) dla ilości ciepła otrzymanego przez gaz doskonały podczas tych procesów.

W przypadku procesu izochorycznego wyrażenie for C V wynika z ( 2.7):

W przypadku procesu izobarycznego wyrażenie for S wynika z (2.10):

Dla molowe pojemności cieplne z tego otrzymujemy następujące wyrażenia

Stosunek pojemności cieplnych jest równy wykładnikowi adiabatycznemu:

Na poziomie termodynamicznym nie da się przewidzieć wartości liczbowej G; udało nam się to zrobić tylko biorąc pod uwagę mikroskopowe właściwości układu (patrz wyrażenie (1.19), a także ( 1.28) dla mieszaniny gazów). Ze wzorów (1.19) i (2.24) wynikają teoretyczne przewidywania molowych pojemności cieplnych gazów i wykładnika adiabatycznego.

Gazy jednoatomowe (ja = 3):

Gazy dwuatomowe (ja=5):

Gazy wieloatomowe (ja=6):

Dane eksperymentalne dla różnych substancji podano w tabeli 1.

Tabela 1

Jest oczywiste, że prosty model Gazy doskonałe ogólnie dość dobrze opisują właściwości gazów rzeczywistych. Należy pamiętać, że zbieżność uzyskano bez uwzględnienia wibracyjnych stopni swobody cząsteczek gazu.

Podaliśmy także wartości ciepła molowego niektórych metali w temp temperatura pokojowa. Jeśli sobie wyobrażasz sieci krystalicznej metal jako uporządkowany zbiór solidnych kulek połączonych sprężynami z sąsiednimi kulkami, wtedy każda cząstka może oscylować tylko w trzech kierunkach ( liczę = 3), a każdy taki stopień swobody jest powiązany z kinetyką k V T/2 i tę samą energię potencjalną. Dlatego cząstka kryształu ma energię wewnętrzną (wibracyjną). k V T. Mnożąc przez liczbę Avogadra, otrzymujemy energię wewnętrzną jednego mola

skąd bierze się wartość ciepła molowego?

(Ze względu na mały współczynnik rozszerzalności cieplnej ciał stałych nie rozróżnia się ich ze str I c w). Podana zależność na molową pojemność cieplną ciał stałych nazywa się Prawo Dulonga i Petita a tabela wykazuje dobrą zgodność z obliczoną wartością

z eksperymentem.

Mówiąc o dobrej zgodności podanych zależności z danymi eksperymentalnymi, należy zauważyć, że obserwuje się ją tylko w pewnym zakresie temperatur. Innymi słowy, pojemność cieplna układu zależy od temperatury, a wzory (2.24) mają ograniczony zakres. Przyjrzyjmy się najpierw rys. 2.10, który pokazuje eksperymentalną zależność pojemności cieplnej z telewizorem wodór z temperatury bezwzględnej T.

Ryż. 2.10. Ciepło molowe gazowego wodoru H2 przy stałej objętości w funkcji temperatury (dane eksperymentalne)

Poniżej, dla zwięzłości, mówimy o braku pewnych stopni swobody w cząsteczkach w określonych zakresach temperatur. Przypomnijmy jeszcze raz, że tak naprawdę mówimy o tym, co następuje. Ze względów kwantowych względny udział w energii wewnętrznej gazu poszczególne gatunki ruch tak naprawdę zależy od temperatury i w pewnych odstępach temperatur może być tak mały, że w eksperymencie - zawsze wykonywanym ze skończoną dokładnością - jest niezauważalny. Wynik eksperymentu wygląda tak, jakby tego typu ruchy nie istniały i nie istniały odpowiadające im stopnie swobody. Liczba i charakter stopni swobody jest zdeterminowana budową cząsteczki i trójwymiarowością naszej przestrzeni – nie mogą one zależeć od temperatury.

Udział energii wewnętrznej zależy od temperatury i może być niewielki.

W temperaturach poniżej 100 tys pojemność cieplna

co wskazuje na brak zarówno rotacyjnych, jak i wibracyjnych stopni swobody w cząsteczce. Następnie wraz ze wzrostem temperatury pojemność cieplna szybko wzrasta do wartości klasycznej

charakterystyczna dla cząsteczki dwuatomowej ze sztywnym wiązaniem, w której nie ma wibracyjnych stopni swobody. W temperaturach powyżej 2000 K pojemność cieplna pokazuje nowy skok do wartości

Wynik ten wskazuje na występowanie wibracyjnych stopni swobody. Ale to wszystko wciąż wydaje się niewytłumaczalne. Dlaczego cząsteczka nie może się obracać w niskich temperaturach? I dlaczego wibracje w cząsteczce występują tylko przy bardzo wysokie temperatury? W poprzednim rozdziale dokonano krótkiego badania jakościowego kwantowych przyczyn takiego zachowania. A teraz możemy tylko powtórzyć, że cała sprawa sprowadza się do zjawisk specyficznie kwantowych, których nie da się wytłumaczyć z punktu widzenia fizyki klasycznej. Zjawiska te zostaną szczegółowo omówione w kolejnych częściach kursu.

Dodatkowe informacje

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - s. 236 - tabela charakterystycznych temperatur „włączenia” wibracyjnych i rotacyjnych stopni swobody cząsteczek dla niektórych określonych gazów;

Przejdźmy teraz do rys. 2.11, przedstawiający zależność molowych pojemności cieplnych trzech pierwiastki chemiczne(kryształy) na temperaturę. W wysokich temperaturach wszystkie trzy krzywe mają tę samą wartość

odpowiednie prawo Dulonga i Petita. Ołów (Pb) i żelazo (Fe) praktycznie mają tę graniczną wartość pojemności cieplnej już w temperaturze pokojowej.

Ryż. 2.11. Zależność ciepła molowego trzech pierwiastków chemicznych - kryształów ołowiu, żelaza i węgla (diamentu) - od temperatury

W przypadku diamentu (C) ta temperatura nie jest jeszcze wystarczająco wysoka. A w niskich temperaturach wszystkie trzy krzywe wykazują znaczne odchylenie od prawa Dulonga i Petita. Jest to kolejny przejaw kwantowych właściwości materii. Fizyka klasyczna okazuje się bezsilna w wyjaśnianiu wielu wzorców obserwowanych w niskich temperaturach.

Dodatkowe informacje

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm – J. de Boer Wprowadzenie do fizyka molekularna i termodynamika, wyd. IL, 1962 – s. 106–107, część I, § 12 – udział elektronów w pojemności cieplnej metali w temperaturach bliskich zera absolutnego;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm – Perelman Ya.I. Czy znasz fizykę? Biblioteka „Quantum”, nr 82, Nauka, 1992. Strona 132, pytanie 137: które ciała mają największą pojemność cieplną (patrz odpowiedź na stronie 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm – Perelman Ya.I. Czy znasz fizykę? Biblioteka „Quantum”, nr 82, Nauka, 1992. Strona 132, pytanie 135: o podgrzewaniu wody w trzech stanach - stałym, ciekłym i parowym (odpowiedź na stronie 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - encyklopedia fizyczna. Kalorymetria. Opisano metody pomiaru pojemności cieplnej.

Zmiana energii wewnętrznej w wyniku wykonania pracy charakteryzuje się ilością pracy, tj. praca jest miarą zmiany energii wewnętrznej ten proces. Zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła charakteryzuje się wielkością zwaną ilością ciepła.

to zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła bez wykonania pracy. Ilość ciepła jest oznaczona literą Q .

Praca, energia wewnętrzna i ciepło mierzone są w tych samych jednostkach – dżulach ( J), jak każdy rodzaj energii.

W pomiarach termicznych jako jednostkę ilości ciepła stosowano wcześniej specjalną jednostkę energii – kalorię ( kał), równy ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza (dokładniej od 19,5 do 20,5 ° C). W szczególności jednostka ta jest obecnie używana do obliczania zużycia ciepła (energii cieplnej) w budynki mieszkalne. Mechaniczny odpowiednik ciepła został ustalony eksperymentalnie - związek między kalorią a dżulem: 1 kal = 4,2 J.

Kiedy ciało przekazuje pewną ilość ciepła, nie wykonując pracy, jego energia wewnętrzna wzrasta; jeśli ciało oddaje pewną ilość ciepła, wówczas jego energia wewnętrzna maleje.

Jeżeli do dwóch identycznych naczyń wlejemy po 100 g wody, do jednego i po 400 g do drugiego o tej samej temperaturze i postawimy je na identycznych palnikach, to w pierwszym naczyniu woda zagotuje się wcześniej. Zatem im większa masa ciała, tym większa ilość ciepła potrzebna do ogrzania. Podobnie jest z chłodzeniem.

Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy również od rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało. Zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od rodzaju substancji charakteryzuje się wielkością fizyczną tzw specyficzna pojemność cieplna Substancje.

- Ten wielkość fizyczna, równa ilości ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji, aby ogrzać ją o 1 ° C (lub 1 K). 1 kg substancji wydziela taką samą ilość ciepła po ochłodzeniu o 1°C.

Ciepło właściwe jest oznaczone literą Z. Jednostka specyficzna pojemność cieplna Jest 1 J/kg°C lub 1 J/kg°K.

Ciepło właściwe substancji określa się eksperymentalnie. Ciecze mają wyższą pojemność cieplną właściwą niż metale; Woda ma najwyższe ciepło właściwe, złoto ma bardzo małe ciepło właściwe.

Ponieważ ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała, możemy powiedzieć, że pojemność cieplna właściwa pokazuje, jak bardzo zmienia się energia wewnętrzna 1 kg substancji, gdy zmienia się jej temperatura 1°C. W szczególności energia wewnętrzna 1 kg ołowiu wzrasta o 140 J po podgrzaniu o 1 °C i maleje o 140 J po ochłodzeniu.

Q = do ∙ m (t 2 - t 1)

Ten sam wzór służy do obliczenia ilości ciepła wydzielanego przez ciało podczas chłodzenia. Tylko w tym przypadku należy od temperatury początkowej odjąć temperaturę końcową, tj. Odejmij niższą temperaturę od wyższej temperatury.

To jest podsumowanie tematu „Ilość ciepła. Ciepło właściwe". Wybierz kolejne kroki:

• Przejdź do następnego podsumowania:

Ilość ciepła, po otrzymaniu której temperatura ciała wzrasta o jeden stopień, nazywa się pojemnością cieplną. Według tej definicji.

Nazywa się pojemność cieplną na jednostkę masy konkretny pojemność cieplna. Nazywa się pojemność cieplną na mol molowy pojemność cieplna.

Zatem pojemność cieplną określa się na podstawie pojęcia ilości ciepła. Ale to drugie, podobnie jak praca, zależy od procesu. Oznacza to, że pojemność cieplna zależy również od procesu. Możliwe jest oddawanie ciepła – ogrzanie ciała – w różnych warunkach. Jednak w różnych warunkach ten sam wzrost temperatury ciała będzie wymagał różnej ilości ciepła. W konsekwencji ciała można scharakteryzować nie jedną pojemnością cieplną, ale niezliczoną liczbą liczb (tyle, ile można pomyśleć o wszelkiego rodzaju procesach, w których zachodzi wymiana ciepła). Jednak w praktyce zwykle posługują się definicją dwóch pojemności cieplnych: pojemności cieplnej przy stałej objętości i pojemności cieplnej przy stałym ciśnieniu.

Pojemność cieplna zmienia się w zależności od warunków, w jakich ciało jest ogrzewane – przy stałej objętości lub przy stałym ciśnieniu.

Jeżeli ogrzewanie ciała następuje przy stałej objętości, tj. dV= 0, to praca wynosi zero. W tym przypadku ciepło przekazane ciału zmienia jedynie jego energię wewnętrzną, dQ= dE, i w tym przypadku pojemność cieplna jest równa zmianie energii wewnętrznej, gdy temperatura zmienia się o 1 K, tj.

.Ponieważ na gaz
, To
Wzór ten określa pojemność cieplną 1 mola gazu doskonałego, zwaną molową. Kiedy gaz jest podgrzewany pod stałym ciśnieniem, zmienia się jego objętość; ciepło przekazane ciału nie tylko zwiększa jego energię wewnętrzną, ale także wykonuje pracę, tj. dQ= dE+ PdV. Pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu
.

Dla gazu doskonałego PV= CZ i dlatego PdV= RdT.

Biorąc to pod uwagę, znajdujemy
.Postawa
jest wielkością charakterystyczną dla każdego gazu, określoną przez liczbę stopni swobody cząsteczek gazu. Pomiar pojemności cieplnej ciała jest zatem sposobem bezpośredniego pomiaru mikroskopowych właściwości jego cząsteczek składowych.

F
Wzory na pojemność cieplną gazu doskonałego w przybliżeniu poprawnie opisują doświadczenie, głównie dla gazów jednoatomowych. Zgodnie z otrzymanymi wzorami pojemność cieplna nie powinna zależeć od temperatury. W rzeczywistości obserwuje się obraz pokazany na ryc., uzyskany eksperymentalnie dla gazowego wodoru dwuatomowego. W części 1 gaz zachowuje się jak układ cząstek mających jedynie translacyjne stopnie swobody, w części 2 wzbudzany jest ruch związany z obrotowymi stopniami swobody, a w końcu w części 3 pojawiają się dwa wibracyjne stopnie swobody. Stopnie krzywej są zgodne ze wzorem (2.35), ale pomiędzy nimi pojemność cieplna rośnie wraz z temperaturą, co odpowiada niecałkowitej zmiennej liczbie stopni swobody. Takie zachowanie pojemności cieplnej wskazuje na niewystarczalność idei gazu doskonałego, której używamy do opisu rzeczywistych właściwości substancji.

Zależność między ciepłem molowym a ciepłem właściwymZ=M s, gdzie s - ciepło właściwe, M - masa cząsteczkowa.Wzór Mayera.

Dla dowolnego gazu doskonałego obowiązuje zależność Mayera:

, gdzie R jest uniwersalną stałą gazową, jest molową pojemnością cieplną przy stałym ciśnieniu, jest molową pojemnością cieplną przy stałej objętości.

W dzisiejszej lekcji wprowadzimy takie pojęcie fizyczne, jak ciepło właściwe substancji. Dowiadujemy się, że to zależy od właściwości chemiczne substancji, a jej wartość, którą można znaleźć w tabelach, jest różna dla różnych substancji. Następnie poznamy jednostki miary i wzór na znalezienie ciepła właściwego, a także nauczymy się analizować właściwości termiczne substancji na podstawie wartości ich ciepła właściwego.

Kalorymetr(od łac. kaloryczny– ciepło i meteor- miara) – urządzenie służące do pomiaru ilości ciepła wydzielanego lub pochłoniętego w dowolnym procesie fizycznym, chemicznym lub biologicznym. Termin „kalorymetr” zaproponowali A. Lavoisier i P. Laplace.

Kalorymetr składa się z pokrywy, szkła wewnętrznego i zewnętrznego. W konstrukcji kalorymetru bardzo ważne jest, aby pomiędzy mniejszymi i większymi naczyniami znajdowała się warstwa powietrza, która ze względu na niską przewodność cieplną zapewnia słabą wymianę ciepła pomiędzy zawartością a środowiskiem zewnętrznym. Taka konstrukcja pozwala uznać kalorymetr za rodzaj termosu i praktycznie pozbyć się wpływów otoczenie zewnętrzne na zachodzenie procesów wymiany ciepła wewnątrz kalorymetru.

Kalorymetr przeznaczony jest do dokładniejszych pomiarów pojemności cieplnych właściwych i innych parametrów cieplnych ciał, niż podano w tabeli.

Komentarz. Warto zaznaczyć, że takiego pojęcia jak ilość ciepła, z którego bardzo często korzystamy, nie należy mylić z energią wewnętrzną ciała. Ilość ciepła zależy właśnie od zmiany energii wewnętrznej, a nie od jej konkretnej wartości.

Należy zauważyć, że ciepło właściwe różnych substancji jest różne, co widać w tabeli (ryc. 3). Na przykład złoto ma określoną pojemność cieplną. Jak wskazaliśmy wcześniej, fizyczne znaczenie tej wartości ciepła właściwego oznacza, że ​​aby ogrzać 1 kg złota o 1°C, należy mu dostarczyć 130 J ciepła (rys. 5).

Ryż. 5. Ciepło właściwe złota

Na następnej lekcji omówimy obliczanie wartości ilości ciepła.

Listaliteratura

1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / wyd. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizyka 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryszkin A.V. Fizyka 8. - M.: Drop, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizyka 8. - M.: Oświecenie.

1. Portal internetowy „vactekh-holod.ru” ()

Praca domowa