Trong nhiệt động lực học, khi nghiên cứu sự chuyển đổi từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng của một hệ, điều quan trọng là phải biết hiệu ứng nhiệt của quá trình. Khái niệm nhiệt dung có liên quan chặt chẽ đến hiệu ứng này. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét câu hỏi về nhiệt dung đẳng tích của chất khí có nghĩa là gì.
Khílý
Khí lý tưởng là khí mà các hạt của nó được coi là điểm vật chất, nghĩa là chúng không có kích thước, nhưng có khối lượng, và trong đó tất cả nội năng chỉ bao gồm động năng của chuyển động của các phân tử. và nguyên tử.
Bất kỳ khí thực nào về mặt lý tưởng sẽ không bao giờ thỏa mãn mô hình được mô tả, vì các hạt của nó vẫn có một số kích thước tuyến tính và tương tác với nhau bằng cách sử dụng liên kết van der Waals yếu hoặc liên kết hóa học kiểu khác. Tuy nhiên, ở áp suất thấp và nhiệt độ cao, khoảng cách giữa các phân tử lớn, động năng của chúng vượt quá thế năng hàng chục lần. Tất cả điều này làm cho nó có thể áp dụng với mức độ chính xác cao làm mô hình lý tưởng cho khí thực.
Nội năng của khí
Nội năng của bất kỳ hệ nào là một đặc tính vật lý, bằng tổng thế năng và động năng. Vì thế năng có thể bị bỏ qua trong khí lý tưởng, chúng ta có thể viết đẳng thức cho chúng:
Ư=Ek.
Trong đó Eklà năng lượng của hệ động năng. Sử dụng lý thuyết động học phân tử và áp dụng phương trình trạng thái Clapeyron-Mendeleev phổ quát, không khó để có được biểu thức cho U. Nó được viết dưới đây:
U=z / 2nRT.
Ở đây T, R và n lần lượt là nhiệt độ tuyệt đối, hằng số khí và lượng chất. Giá trị z là số nguyên biểu thị số bậc tự do mà phân tử khí có.
Nhiệt dung đẳng áp và đẳng tích
Trong vật lý, nhiệt dung là nhiệt lượng phải cung cấp cho hệ đang nghiên cứu để đốt nóng nó bằng một kelvin. Định nghĩa ngược lại cũng đúng, đó là nhiệt dung là nhiệt lượng mà hệ thống tỏa ra khi làm mát bằng một kelvin.
Cách dễ nhất cho một hệ thống là xác định nhiệt dung đẳng tích. Nó được hiểu là nhiệt dung ở thể tích không đổi. Vì hệ thống không thực hiện công việc trong những điều kiện như vậy, nên tất cả năng lượng được sử dụng để tăng dự trữ năng lượng bên trong. Ta biểu thị nhiệt dung đẳng tích bằng ký hiệu CV, sau đó ta có thể viết:
dU=CV dT.
Tức là sự thay đổi nội nănghệ thống tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ của nó. Nếu chúng ta so sánh biểu thức này với đẳng thức được viết trong đoạn trước, thì chúng ta đi đến công thức cho CVtrong khí lý tưởng:
СV=z / 2nR.
Giá trị này không thuận tiện khi sử dụng trong thực tế, vì nó phụ thuộc vào lượng chất trong hệ thống. Do đó, khái niệm nhiệt dung đẳng áp cụ thể đã được đưa ra, nghĩa là một giá trị được tính trên 1 mol khí hoặc trên 1 kg. Chúng ta hãy biểu thị giá trị đầu tiên bằng ký hiệu CV, giá trị thứ hai - bằng ký hiệu CV m. Đối với chúng, bạn có thể viết các công thức sau:
CV=z / 2R;
CVm=z / 2R / M.
Ở đây M là khối lượng mol.
Isobaric là nhiệt dung trong khi duy trì áp suất không đổi trong hệ thống. Một ví dụ của quá trình như vậy là sự giãn nở của khí trong xi lanh dưới piston khi nó được đốt nóng. Không giống như quá trình đẳng tích, trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng cung cấp cho hệ được sử dụng để tăng nội năng và thực hiện công cơ học, đó là:
H=dU + PdV.
Entanpi của quá trình đẳng tích là tích của nhiệt dung đẳng tích và sự thay đổi nhiệt độ trong hệ, đó là:
H=CP dT.
Nếu chúng ta coi sự nở ra ở áp suất không đổi của 1 mol khí, thì định luật đầu tiên của nhiệt động lực học sẽ được viết là:
CP dT=CV dT + RdT.
Số hạng cuối cùng nhận được từ phương trìnhClapeyron-Mendeleev. Từ đẳng thức này theo mối quan hệ giữa nhiệt dung đẳng áp và đẳng tích:
CP=CV+ R.
Đối với khí lý tưởng, nhiệt dung mol riêng ở áp suất không đổi luôn lớn hơn nhiệt dung đẳng tích tương ứng là R=8, 314 J / (molK).
Mức độ tự do của các phân tử và nhiệt dung
Hãy viết lại công thức tính nhiệt dung đẳng tích số mol cụ thể:
CV=z / 2R.
Trong trường hợp khí đơn nguyên, giá trị z=3, vì các nguyên tử trong không gian chỉ có thể chuyển động theo ba hướng độc lập.
Nếu chúng ta đang nói về một chất khí bao gồm các phân tử diatomic, ví dụ, oxy O2hoặc hydro H2, thì, Ngoài chuyển động tịnh tiến, các phân tử này vẫn có thể quay quanh hai trục vuông góc với nhau, tức là z sẽ bằng 5.
Đối với các phân tử phức tạp hơn, sử dụng z=6.để xác định CV
