Nhiệt dung của chất khí là phần năng lượng mà cơ thể hấp thụ khi bị đốt nóng một độ. Hãy phân tích các đặc điểm chính của đại lượng vật lý này.
Định nghĩa
Nhiệt dung riêng của chất khí là đơn vị khối lượng của một chất cụ thể. Đơn vị đo của nó là J / (kg · K). Lượng nhiệt được cơ thể hấp thụ trong quá trình thay đổi trạng thái tập hợp không chỉ liên quan đến trạng thái ban đầu và cuối cùng, mà còn liên quan đến phương thức chuyển đổi.
Cục
Nhiệt dung của chất khí được chia cho giá trị xác định ở thể tích không đổi (Cv), áp suất không đổi (Cр).
Trong trường hợp sưởi ấm mà không làm thay đổi áp suất, một phần nhiệt được sử dụng để tạo ra quá trình giãn nở khí và một phần năng lượng được sử dụng để tăng nội năng.
Nhiệt dung của chất khí ở áp suất không đổi được xác định bằng nhiệt lượng dùng để tăng nội năng.
Trạng thái khí: tính năng, mô tả
Nhiệt dung của khí lý tưởng được xác định có xét đến yếu tố Сp-Сv=R. Đại lượng sau này được gọi là hằng số khí phổ. Giá trị của nó tương ứng với 8,314 J / (mol K).
Khi thực hiện các tính toán lý thuyết về nhiệt dung, chẳng hạn, mô tả mối quan hệ với nhiệt độ, chỉ sử dụng các phương pháp nhiệt động học là chưa đủ, điều quan trọng là phải trang bị cho mình các yếu tố vật lý tĩnh.
Nhiệt dung của chất khí liên quan đến việc tính giá trị trung bình của năng lượng chuyển động tịnh tiến của một số phân tử. Chuyển động như vậy được tổng hợp từ chuyển động quay và tịnh tiến của phân tử, cũng như từ các dao động bên trong của nguyên tử.
Trong vật lý tĩnh, có thông tin rằng đối với mỗi bậc tự do của chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến, có một đại lượng đối với một chất khí bằng một nửa hằng số khí phổ quát.
Sự thật thú vị
Một hạt của khí đơn thể được cho là có ba bậc tự do tịnh tiến, vì vậy nhiệt dung riêng của chất khí có ba bậc tự do tịnh tiến, hai chuyển động quay và một bậc dao động. Quy luật phân bố đều của chúng dẫn đến cân bằng nhiệt lượng riêng ở một thể tích không đổi là R.
Trong quá trình làm thí nghiệm, người ta nhận thấy nhiệt dung của khí tảo tử ứng với giá trị R. do đó, khi thực hiện tính toán, điều quan trọng là sử dụng số liệu thống kê dựa trên lượng tửcơ khí.
Dựa trên nền tảng của cơ học lượng tử, bất kỳ hệ thống hạt nào dao động hoặc quay, bao gồm cả các phân tử khí, chỉ có một số giá trị năng lượng rời rạc.
Nếu năng lượng của chuyển động nhiệt trong hệ không đủ để kích thích dao động có tần số nhất định thì chuyển động đó không góp phần vào tổng nhiệt dung của hệ.
Kết quả là một mức độ tự do cụ thể trở nên "đóng băng", không thể áp dụng luật phân chia cho nó.
Nhiệt dung của chất khí là một đặc trưng quan trọng của trạng thái mà hoạt động của toàn bộ hệ thống nhiệt động lực học phụ thuộc vào.
Nhiệt độ mà định luật phân chia có thể được áp dụng cho mức độ dao động hoặc quay của tự do được đặc trưng bởi lý thuyết lượng tử, kết nối hằng số Planck với hằng số Boltzmann.
Khí diatomic
Khoảng cách giữa các mức năng lượng quay của các khí như vậy là một số độ nhỏ. Ngoại lệ là hydro, trong đó giá trị nhiệt độ được xác định bằng hàng trăm độ.
Đó là lý do tại sao nhiệt dung của một chất khí ở áp suất không đổi rất khó được mô tả bằng quy luật phân phối đều. Trong thống kê lượng tử, khi xác định nhiệt dung, người ta phải tính đến phần dao động của nó, trong trường hợp nhiệt độ giảm, sẽ giảm nhanh và đạt đến 0.
Hiện tượng này giải thích thực tế là ở nhiệt độ phòng thực tế không có phần dao động của nhiệt dung, vìkhí điatomic, nó tương ứng với hằng số R.
Nhiệt dung của khí ở thể tích không đổi trong trường hợp chỉ thị nhiệt độ thấp được xác định bằng cách sử dụng thống kê lượng tử. Có nguyên lý Nernst, được gọi là định luật thứ ba của nhiệt động lực học. Dựa trên công thức của nó, nhiệt dung phân tử của một chất khí sẽ giảm khi nhiệt độ giảm, có xu hướng bằng không.
Tính năng của chất rắn
Nếu nhiệt dung của hỗn hợp khí có thể được giải thích bằng cách sử dụng thống kê lượng tử, thì đối với trạng thái tập hợp rắn, chuyển động nhiệt được đặc trưng bởi sự dao động nhẹ của các hạt gần vị trí cân bằng.
Mỗi nguyên tử có ba bậc tự do dao động, do đó, theo định luật phân chia, nhiệt dung phân tử của chất rắn có thể được tính là 3nR, với n là số nguyên tử trong phân tử.
Trong thực tế, con số này là giới hạn mà nhiệt dung của vật rắn có xu hướng đạt được ở nhiệt độ cao.
Tối đa có thể đạt được ở nhiệt độ thường đối với một số nguyên tố, bao gồm cả kim loại. Đối với n=1, định luật Dulong và Petit được đáp ứng, nhưng đối với các chất phức tạp thì khá khó để đạt được giới hạn như vậy. Vì không thể đạt được giới hạn trong thực tế, nên sự phân hủy hoặc nóng chảy của chất rắn sẽ xảy ra.
Lịch sử của lý thuyết lượng tử
Những người sáng lập ra thuyết lượng tử là Einstein và Debye vào đầu thế kỷ XX. Nó dựa trên sự lượng tử hóa các chuyển động dao động của các nguyên tử trong mộtpha lê. Trong trường hợp các chỉ số nhiệt độ thấp, nhiệt dung của vật rắn tỷ lệ thuận với giá trị tuyệt đối được lập phương. Mối quan hệ này được gọi là định luật Debye. Như một tiêu chí giúp bạn có thể phân biệt giữa các chỉ số nhiệt độ thấp và cao, so sánh của chúng với nhiệt độ Debye được thực hiện.
Giá trị này được xác định bởi phổ dao động của một nguyên tử trong cơ thể, do đó nó phụ thuộc nghiêm trọng vào các đặc điểm cấu trúc tinh thể của nó.
QD là một giá trị có vài trăm K, nhưng, ví dụ, nó cao hơn nhiều trong kim cương.
Các electron dẫn đóng góp đáng kể vào nhiệt dung của kim loại. Để tính toán nó, số liệu thống kê lượng tử Fermi được sử dụng. Độ dẫn điện tử đối với nguyên tử kim loại tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Vì nó là một giá trị không đáng kể, nó chỉ được tính đến ở những nhiệt độ có xu hướng bằng không tuyệt đối.
Phương pháp xác định nhiệt dung
Phương pháp thực nghiệm chính là đo nhiệt lượng. Để thực hiện tính toán lý thuyết về nhiệt dung, người ta sử dụng nhiệt động lực học thống kê. Nó có giá trị đối với khí lý tưởng, cũng như đối với các thể tinh thể, được thực hiện trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc của vật chất.
Phương pháp thực nghiệm để tính nhiệt dung của khí lý tưởng dựa trên ý tưởng về cấu trúc hóa học, sự đóng góp của các nhóm nguyên tử riêng lẻ vào Ср.
Đối với chất lỏng, các phương pháp cũng được sử dụng dựa trên việc sử dụng nhiệt động lực họcchu trình làm cho nó có thể truyền từ nhiệt dung của khí lý tưởng sang chất lỏng thông qua đạo hàm của nhiệt độ entanpi của quá trình bay hơi.
Trong trường hợp dung dịch, không được phép tính nhiệt dung dưới dạng hàm cộng, vì giá trị thừa của nhiệt dung của dung dịch về cơ bản là đáng kể.
Để đánh giá nó, chúng ta cần lý thuyết thống kê phân tử của các giải pháp. Khó nhất là xác định nhiệt dung của các hệ không đồng nhất trong phân tích nhiệt động lực học.
Kết
Việc nghiên cứu nhiệt dung cho phép bạn tính toán cân bằng năng lượng của các quá trình xảy ra trong lò phản ứng hóa học, cũng như trong các thiết bị sản xuất hóa chất khác. Ngoài ra, giá trị này cần thiết để lựa chọn các loại chất làm mát tối ưu.
Hiện nay, thực nghiệm xác định nhiệt dung của các chất trong các khoảng nhiệt độ khác nhau - từ giá trị thấp đến giá trị cao - là phương án chính để xác định các đặc trưng nhiệt động của chất. Khi tính toán entropi và entanpi của một chất, người ta sử dụng tích phân nhiệt dung. Thông tin về nhiệt dung của thuốc thử hóa học trong một khoảng nhiệt độ nhất định cho phép bạn tính toán hiệu ứng nhiệt của quá trình. Thông tin về nhiệt dung của các dung dịch giúp bạn có thể tính toán các thông số nhiệt động lực học của chúng ở bất kỳ giá trị nhiệt độ nào trong khoảng thời gian được phân tích.
Ví dụ, chất lỏng được đặc trưng bởi sự tiêu tốn một phần nhiệt để thay đổi giá trị của thế năngphân tử phản ứng. Giá trị này được gọi là nhiệt dung "cấu hình", được sử dụng để mô tả các giải pháp.
Rất khó để thực hiện các phép tính toán học chính thức mà không tính đến các đặc điểm nhiệt động lực học của một chất, trạng thái tập hợp của nó. Đó là lý do tại sao đối với chất lỏng, chất khí, chất rắn, người ta sử dụng đặc tính như nhiệt dung riêng để có thể đặc trưng cho các thông số năng lượng của một chất.
