Теплоемкость газа. Теплоемкостью тела СТ называют отношение количества теплоты Q, сообщенного телу, к изменению температуры ∆T

Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C ) - физическая величина , определяемая отношением бесконечно малого количества теплоты δQ , полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT :

$C = {\delta Q \over \delta T}.$

Единица измерения теплоёмкости в Международной системе единиц (СИ) - Дж / .

Удельная теплоёмкость

Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Количество вещества может быть измерено в килограммах, кубических метрах и молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая удельная теплоёмкость (С ), также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на килограмм на кельвин (Дж·кг −1 ·К −1).

А при постоянном давлении

$c_p = c_v + R = \frac{i+2}{2} R.$

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения - температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях - 4200 Дж/(кг·К); льда - 2100 Дж/(кг·К).

Теория теплоёмкости

Существует несколько теорий теплоёмкости твердого тела:

Закон Дюлонга - Пти и закон Джоуля - Коппа . Оба закона выведены из классических представлений и с определенной точностью справедливы лишь для нормальных температур (примерно от 15 °C до 100 °C).
Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна . Первое применение квантовых законов к описанию теплоёмкости.
Квантовая теория теплоёмкостей Дебая . Содержит наиболее полное описание и хорошо согласуется с экспериментом.

Теплоёмкость системы невзаимодействующих частиц (например, идеального газа) определяется числом степеней свободы частиц.

Напишите отзыв о статье "Теплоёмкость"

Примечания

Литература

// Энциклопедический словарь юного физика / В. А. Чуянов (сост.). - М .: Педагогика, 1984. - С. 268–269. - 352 с.

См. также

Отрывок, характеризующий Теплоёмкость

Он не мог иметь цели, потому что он теперь имел веру, – не веру в какие нибудь правила, или слова, или мысли, но веру в живого, всегда ощущаемого бога. Прежде он искал его в целях, которые он ставил себе. Это искание цели было только искание бога; и вдруг он узнал в своем плену не словами, не рассуждениями, но непосредственным чувством то, что ему давно уж говорила нянюшка: что бог вот он, тут, везде. Он в плену узнал, что бог в Каратаеве более велик, бесконечен и непостижим, чем в признаваемом масонами Архитектоне вселенной. Он испытывал чувство человека, нашедшего искомое у себя под ногами, тогда как он напрягал зрение, глядя далеко от себя. Он всю жизнь свою смотрел туда куда то, поверх голов окружающих людей, а надо было не напрягать глаз, а только смотреть перед собой.
Он не умел видеть прежде великого, непостижимого и бесконечного ни в чем. Он только чувствовал, что оно должно быть где то, и искал его. Во всем близком, понятном он видел одно ограниченное, мелкое, житейское, бессмысленное. Он вооружался умственной зрительной трубой и смотрел в даль, туда, где это мелкое, житейское, скрываясь в тумане дали, казалось ему великим и бесконечным оттого только, что оно было неясно видимо. Таким ему представлялась европейская жизнь, политика, масонство, философия, филантропия. Но и тогда, в те минуты, которые он считал своей слабостью, ум его проникал и в эту даль, и там он видел то же мелкое, житейское, бессмысленное. Теперь же он выучился видеть великое, вечное и бесконечное во всем, и потому естественно, чтобы видеть его, чтобы наслаждаться его созерцанием, он бросил трубу, в которую смотрел до сих пор через головы людей, и радостно созерцал вокруг себя вечно изменяющуюся, вечно великую, непостижимую и бесконечную жизнь. И чем ближе он смотрел, тем больше он был спокоен и счастлив. Прежде разрушавший все его умственные постройки страшный вопрос: зачем? теперь для него не существовал. Теперь на этот вопрос – зачем? в душе его всегда готов был простой ответ: затем, что есть бог, тот бог, без воли которого не спадет волос с головы человека.

Пьер почти не изменился в своих внешних приемах. На вид он был точно таким же, каким он был прежде. Так же, как и прежде, он был рассеян и казался занятым не тем, что было перед глазами, а чем то своим, особенным. Разница между прежним и теперешним его состоянием состояла в том, что прежде, когда он забывал то, что было перед ним, то, что ему говорили, он, страдальчески сморщивши лоб, как будто пытался и не мог разглядеть чего то, далеко отстоящего от него. Теперь он так же забывал то, что ему говорили, и то, что было перед ним; но теперь с чуть заметной, как будто насмешливой, улыбкой он всматривался в то самое, что было перед ним, вслушивался в то, что ему говорили, хотя очевидно видел и слышал что то совсем другое. Прежде он казался хотя и добрым человеком, но несчастным; и потому невольно люди отдалялись от него. Теперь улыбка радости жизни постоянно играла около его рта, и в глазах его светилось участие к людям – вопрос: довольны ли они так же, как и он? И людям приятно было в его присутствии.
Прежде он много говорил, горячился, когда говорил, и мало слушал; теперь он редко увлекался разговором и умел слушать так, что люди охотно высказывали ему свои самые задушевные тайны.
Княжна, никогда не любившая Пьера и питавшая к нему особенно враждебное чувство с тех пор, как после смерти старого графа она чувствовала себя обязанной Пьеру, к досаде и удивлению своему, после короткого пребывания в Орле, куда она приехала с намерением доказать Пьеру, что, несмотря на его неблагодарность, она считает своим долгом ходить за ним, княжна скоро почувствовала, что она его любит. Пьер ничем не заискивал расположения княжны. Он только с любопытством рассматривал ее. Прежде княжна чувствовала, что в его взгляде на нее были равнодушие и насмешка, и она, как и перед другими людьми, сжималась перед ним и выставляла только свою боевую сторону жизни; теперь, напротив, она чувствовала, что он как будто докапывался до самых задушевных сторон ее жизни; и она сначала с недоверием, а потом с благодарностью выказывала ему затаенные добрые стороны своего характера.
Самый хитрый человек не мог бы искуснее вкрасться в доверие княжны, вызывая ее воспоминания лучшего времени молодости и выказывая к ним сочувствие. А между тем вся хитрость Пьера состояла только в том, что он искал своего удовольствия, вызывая в озлобленной, cyхой и по своему гордой княжне человеческие чувства.
– Да, он очень, очень добрый человек, когда находится под влиянием не дурных людей, а таких людей, как я, – говорила себе княжна.
Перемена, происшедшая в Пьере, была замечена по своему и его слугами – Терентием и Васькой. Они находили, что он много попростел. Терентий часто, раздев барина, с сапогами и платьем в руке, пожелав покойной ночи, медлил уходить, ожидая, не вступит ли барин в разговор. И большею частью Пьер останавливал Терентия, замечая, что ему хочется поговорить.

Материал из Юнциклопедии

Теплоемкостью тела называют количество теплоты, которое нужно сообщить данному телу, чтобы повысить его температуру на один градус. При остывании на один градус тело отдает такое же количество тепла. Теплоемкость пропорциональна массе тела. Теплоемкость единицы массы тела называется удельной, а произведение удельной теплоемкости на атомную или молекулярную массу - соответственно атомной или молярной.

Теплоемкости различных веществ сильно различаются между собой. Так, удельная теплоемкость воды при 20° С составляет 4200 Дж/кг К, соснового дерева - 1700, воздуха - 1010. У металлов она меньше: алюминия - 880 Дж/кг К, железа - 460, меди - 385, свинца - 130. Удельная теплоемкость слабо растет с температурой (при 90° С теплоемкость воды составляет 4220 Дж/кг К) и сильно меняется при фазовых превращениях: теплоемкость льда при 0° С в 2 раза меньше, чем воды; теплоемкость водяного пара при 100е С около 1500 Дж/кг К.

Теплоемкость зависит от условий, в которых происходит изменение температуры тела. Если размеры тела не меняются, то вся теплота идет на изменение внутренней энергии. Здесь говорится о теплоемкости при постоянном объеме (С V). При постоянном внешнем давлении благодаря тепловому расширению совершается механическая работа против внешних сил, и нагревание на ту или иную температуру требует большего тепла. Поэтому теплоемкость при постоянном давлении С P всегда больше, чем C V . Для идеальных газов С P - C V = R (см. рис.), где R - газовая постоянная, равная 8,32 Дж/моль К.

Обычно измеряется С P . Классический способ измерения теплоемкости следующий: тело, теплоемкость которого (С x) хотят измерить, нагревают до определенной температуры t x и помещают в калориметр с начальной температурой t 0 , наполненный водой или другой жидкостью с известной теплоемкостью (С к и С ж - теплоемкости калориметра и жидкости). Измеряя температуру в калориметре после установления теплового равновесия (t), можно вычислить теплоемкость тела по формуле:

С x = (t-t 0)(C ж m ж + C к m к) / (m x (t x -t)),

где m x , m ж и m к - массы тела, жидкости и калориметра.

Наиболее развита теория теплоемкости газов. При обычных температурах нагревание приводит в основном к изменению энергии поступательного и вращательного движения молекул газа. Для молярной теплоемкости одноатомных газов C V теория дает 3R/2, двухатомных и многоатомных - 5R/2 и 3R. При очень низких температурах теплоемкость несколько меньше из-за квантовых эффектов (см. Квантовая механика). При высоких температурах добавляется колебательная энергия, и теплоемкость многоатомных газов растет с ростом температуры.

Атомная теплоемкость кристаллов, по классической теории, равна 3Ry что согласуется с эмпирическим законом Дюлонга и Пти (установлен в 1819 г. французскими учеными П. Дюлонгом и А. Пти). Квантовая теория теплоемкости приводит к такому же выводу при высоких температурах, но предсказывает уменьшение теплоемкости при понижении температуры. Вблизи абсолютного нуля теплоемкость всех тел стремится к нулю (третий закон термодинамики).

Способы изменения внутренней энергии тела

Существует два способа изменения внутренней энергии тела (системы) -- совершение работы над ним или передача тепла. Процесс обмена внутренними энергиями соприкасающихся тел, который не сопровождается совершением работы, называется теплообменом. Энергия, которая передана телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты, полученным телом. Обозначается количество тепла обычно Q. Вообще говоря, изменение внутренней энергии тела в процедуре теплообмена - результат работы внешних сил, только это не работа, связанная с изменением внешних параметров системы. Это работа, которую производят молекулярные силы. Например, если привести в соприкосновении тело с горячим газом, то энергия газа передается через столкновения молекул газа с молекулами тела.

Количество тепла не является функцией состояния, так как Q зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Если задано состояние системы, но не указан процесс перехода, то ничего нельзя сказать о количестве тепла, которое получено системой. В этом смысле нельзя говорить о количестве тепла, запасенном в теле.

Иногда говорят о теле, обладающем запасом тепловой энергии, это имеется в виду не количество тепла, а внутренняя энергия тела. Такое тело называют тепловым резервуаром. Подобные «ляпы» в терминологии остались в науке от теории теплорода, впрочем, как и сам термин количество тепла. Теория теплорода рассматривала теплоту как некую невесомую жидкость, которая содержится в телах и не может быть создана или уничтожена. Существовала версия сохранения теплорода. С такой точки зрения было логично говорить о запасе тепла в теле без отношения к процессу. Сейчас в калориметрии часто рассуждают так, если бы был справедлив закон сохранения количества теплоты. Так, например, поступают в математической теории теплопроводности.

В связи с тем, что теплота не является функцией состояния, то для бесконечно малого количества теплоты используют обозначение $\delta Q$, а не $dQ$. Этим подчёркивается, что $\delta Q$ не рассматривается как полный дифференциал, т.е. не всегда могут быть представлены как бесконечно малые приращения функций состояния (только в частных случаях, например в изохорном и изобарном процессах). Принято считать, что теплота положительна, если система ее получает, и отрицательна в противном случае.

Что такое теплоемкость

Рассмотрим теперь, что такое теплоемкость.

Определение

Количество теплоты, переданное телу с целью нагреть его на 1К, -- теплоемкость тела (системы). Обычно обозначается "C":

\[С=\frac{\delta Q}{dT}\left(1\right).\]

Теплоемкость единицы массы тела:

удельная теплоемкость. m -- масса тела.

Теплоемкость единицы молярной массы тела:

молярная теплоемкость. $\nu $- количество вещества (количество молей вещества), $\mu $ -- молярная масса вещества.

Средней теплоемкостью $\left\langle C\right\rangle $ в интервале температур от $T_1$ до $T_2\ $называют:

\[\left\langle C\right\rangle =\frac{Q}{T_2-T_1}\ \left(4\right).\]

Связь между средней теплоемкостью тела и его «просто» теплоемкостью выражается как:

\[\left\langle C\right\rangle =\frac{1}{T_2-T_1}\int\limits^{T_2}_{T_1}{CdT}\ \left(5\right).\]

Мы видим, что теплоемкость определена через понятие «теплота».

Как уже отмечалось, количество тепла подведенного к системе зависит от процесса. Соответственно, получается, что и теплоемкость зависит от процесса. Поэтому формулу определения теплоемкости (1) следует уточнить и записать в виде:

\[С_V={\left(\frac{\delta Q}{dT}\right)}_V,\ С_p={\left(\frac{\delta Q}{dT}\right)}_p(6)\]

теплоёмкости (газа) в постоянном объеме и при постоянном давлении.

Таким образом, теплоемкость в общем случае характеризует как свойства тела, так и условия, при которых происходит нагрев тела. Если определить условия нагревания, то теплоемкость становится характеристикой свойств тела. Такие теплоемкости мы видим в справочных таблицах. Теплоемкости в процессах при постоянном давлении и постоянном объеме являются функциями состояния.

Пример 1

Задание: Идеальный газ, молекула которого имеет число степеней свободы, равное i, расширили по закону: $p=aV,$где $a=const.$ Найти молярную теплоемкость в этом процессе.

\[\delta Q=dU+\delta A=\frac{i}{2}\nu RdT+pdV\left(1.2\right).\]

Так как газ идеальный, то используем уравнение Менделеева -- Клайперона и уравнение процесса для преобразования элементарной работы и получения выражения для нее через температуру:

Итак, элемент работы имеет вид:

\[\delta A=pdV=aVdV=\frac{\nu RdT}{2}\left(1.4\right).\]

Подставим (1.4) в (1.2), получим:

\[\delta Q=\nu c_{\mu }dT=\frac{i}{2}\nu RdT+\frac{\nu RdT}{2}\left(1.5\right).\]

Выразим молярную теплоемкость:

Ответ: Молярная теплоемкость в заданном процессе имеет вид: $c_{\mu }=\frac{R}{2}\left(i+1\right).$

Пример 2

Задание: Найти изменение количества теплоты идеального газа в процессе p$V^n=const$ (такой процесс называется политропическим), если число степеней свободы молекулы газа равно i, изменение температуры в процессе $\triangle T$, количество вещества $\nu $.

Основой для решения задачи станет выражение:

\[\triangle Q=C\triangle T\ \left(2.1\right).\]

Значит, необходимо найти C (теплоемкость в заданном процессе). Используем первое начало термодинамики:

\[\delta Q=dU+pdV=\frac{i}{2}\nu RdT+pdV=CdT\to C=\frac{i}{2}\nu R+\frac{pdV}{dT}\ \left(2.2\right).\]

Найдем $\frac{dV}{dT}$ используя уравнение процесса и уравнение Менделеева - Клайперона:

Подставим давление и объем из (2.3.) в уравнение процесса, который задан, получим уравнение политропы в параметрах $V,T$:

В таком случае:

\[\frac{dV}{dT}=B"\cdot \frac{1}{1-n}T^{\frac{n}{1-n}}\left(2.5\right).\] \ \ \[\triangle Q=C\triangle T=\nu R\left(\frac{i}{2}+\frac{1}{1-n}\right)\triangle T\left(2.8\right).\]

Ответ: Изменение количества теплоты идеального газа в процессе задано формулой: $\triangle Q=\nu R\left(\frac{i}{2}+\frac{1}{1-n}\right)\triangle T$.

Известно, что подвод теплоты к рабочему телу в каком-либо процессе сопровождается изменением температуры. Отношение теплоты, подведённой (отведённой) в данном процессе, к изменению температуры называется теплоёмкостью тела .

где dQ - элементарное количество теплоты

dT - элементарное изменение температуры.

Теплоёмкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы при заданных условиях повысить температуру на 1 градус. Измеряется в [Дж/К].

Количество теплоты, подведённое к рабочему телу, всегда пропорционально количеству рабочего тела. Например, количество теплоты, необходимое для нагревания на 1 градус кирпича и кирпичной стены неодинаково, поэтому для сравнения вводят удельные величины теплоёмкости, отнеся подведённую теплоту к единице рабочего тела. В зависимости от количественной единицы тела, к которому подводится теплота в термодинамике , различают массовую, объёмную и мольную теплоёмкости.

Массовая теплоёмкость - это теплоёмкость, отнесённая к единице массы рабочего тела,

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К называется массовой теплоёмкостью.

Единицей измерения массовой теплоёмкости является Дж/(кг К). Массовую теплоёмкость называют также удельной теплоёмкостью.

Объёмная теплоёмкость - теплоёмкость, отнесённая к единице объёма рабочего тела,

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м 3 газа на 1 К называется объёмной теплоёмкостью.

Объёмная теплоёмкость измеряется в Дж/(м 3 К).

Мольная теплоёмкость - теплоёмкость, отнесённая к количеству рабочего тела,

где n - количество газа в моль.

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моль газа на 1 К называется мольной теплоёмкостью.

Мольную теплоёмкость измеряют в Дж/(моль×К).

Массовая и мольная теплоёмкости связаны следующим соотношением:

или С m = mс, где m - молярная масса

Теплоёмкость зависит от условий протекания процесса. Поэтому обычно в выражении для теплоёмкости указывается индекс х, который характеризует вид процесса теплообмена.

Индекс х означает, что процесс подвода (или отвода) теплоты идёт при постоянном значении какого-либо параметра, например, давления, объёма.

Среди таких процессов наибольший интерес представляют два: один при постоянном объёме газа, другой при постоянном давлении. В соответствии с этим различают теплоёмкости при постоянном объёме C v и теплоёмкость при постоянном давлении C p .

1) Теплоёмкость при постоянном объёме равна отношению количества теплоты dQ к изменению температуры dT тела в изохорном процессе (V = const):

;

2) Теплоёмкость при постоянном давлении равна отношению количества теплоты dQ к изменению температуры dT тела в изобарном процессе (Р = const):

Для понимания сути этих процессов рассмотрим пример.

Пусть имеется два цилиндра, в которых находится по 1 кг одного и того же газа при одинаковой температуре. Один цилиндр полностью закрыт (V = const), другой цилиндр сверху закрыт поршнем, который оказывает на газ постоянное давление Р (P = const).

Подведём к каждому цилиндру такое количество тепла Q, чтобы температура газа в них повысилась от Т 1 до Т 2 на 1К. В первом цилиндре газ не совершил работу расширения, т.е. количество подведённого тепла будет равно

Q v = c v (T 2 - T 1) ,

здесь индекс v - означает, что теплота подводится к газу в процессе с постоянным объёмом.

Во втором цилиндре, кроме повышения температуры на 1К, произошло ещё передвижение нагруженного поршня (газ изменил объём), т.е. была совершена работа расширения. Количество подведённого тепла в этом случае определится из выражения:

Q р = c р (T 2 - T 1)

Здесь индекс р - означает, что тепло подводится к газу в процессе с постоянным давлением.

Общее количество тепла Q p будет больше Q v на величину, соответствующую работе преодоления внешних сил:

где R - работа расширения 1 кг газа при повышении температуры на 1К при Т 2 - Т 1 = 1К.

Отсюда С р - С v = R

Если поместить в цилиндр не 1 кг газа, а 1 моль, то выражение примет вид

Сm Р - Сm v = R m , где

R m - универсальная газовая постоянная.

Это выражение носит название уравнения Майера .

Наряду с разностью С р - С v в термодинамических исследованиях и практических расчетах широкое применение имеет отношение теплоемкостей С р и С v , которое называется показателем адиабаты .

k = С р / С v .

В молекулярно - кинетической теории для определения k приводится следующая формула k = 1 + 2/n,

где n - число степеней свободы движения молекул (для одноатомных газов n = 3, для двухатомных n = 5, для трёх и более атомных n = 6).

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

– это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q .

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах - джоулях (Дж ), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии - калория (кал ), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты - соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж .

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

– это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С . В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Q , необходимое для нагревания тела массой m от температуры t 1 °С до температуры t 2 °С , равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t 2 — t 1)

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость» . Выберите дальнейшие действия:

Перейти к следующему конспекту: