Gaz halindeki bir cismin ısı kapasitesi nedir? İzotermal gaz prosesi

İç vücut enerjisi- Vücudun kütle merkezine göre moleküllerin kaotik hareketinin kinetik enerjisinin ve moleküllerin birbirleriyle (ancak diğer cisimlerin molekülleriyle değil) etkileşiminin potansiyel enerjisinin toplamı. Sıcaklığa ve hacme bağlıdır.

Üzerinde iş yaparak vücudun enerjisini değiştirebiliriz. Örneğin bir bisiklet lastiğini şişirirken pompa ısınır. Bazıları, pistonun pompanın duvarlarına sürtünmesi ve bunun nedeninin gazı sıkıştırmamız olması nedeniyle üzerinde iş yaptığımızı ve bunun da arttığını düşünüyor. iç enerji bu da sıcaklığın artmasıyla kendini gösterir.

Bir vücudun iç enerjisini iş yapmadan değiştirmenin başka bir yolu daha var - ısı transferi.

Isı transferi

Isı transferi- Vücudun iç enerjisini iş yapmadan aktarma yöntemi.

Isı transferi üç şekilde aktarılabilir:

• termal iletkenlik;
• konveksiyon;
• radyasyon (radyasyon);

Bu üç yol vücudun iç enerjisini değiştirebilir.

Tüm ısı transfer türlerinin kombinasyonuna karmaşık ısı transferi denir. Isı transfer süreçleri şu şekilde gerçekleşebilir: farklı ortamlar: saf maddelerçalışma ortamının toplam durumunda bir değişiklik olsun ya da olmasın, vb. Buna bağlı olarak ısı transferi farklı şekilde ilerler ve farklı denklemlerle tanımlanır.

Isı iletkenliği

Isıl iletkenlik yoluyla ısı transferi işlemi, cisimlerin veya cisim parçacıklarının doğrudan teması yoluyla gerçekleşir. farklı sıcaklıklar ve moleküllerin titreşiminden kaynaklanan moleküler bir ısı transferi sürecidir. Daha büyük titreşim genliğine sahip moleküller, daha küçük titreşim genliğine sahip komşu moleküllerin daha sık titreşmesine neden olur.

Vücut ısındığında kinetik enerji molekülleri artar ve vücudun daha sıcak kısmındaki parçacıklar komşu moleküllerle çarpışarak onlara kinetik enerjilerinin bir kısmını verir. Bu durumda vücudun sıcak kısımları soğur, az ısınan kısımları ise ısınır.

Konveksiyon

Konveksiyon, eşit olmayan şekilde ısıtılan sıvı veya gazların tüm kütlesini hareket ettirirken veya karıştırırken ısının aktarılmasıdır. Bu durumda ısı transferi sıvı veya gazın hareket hızına doğru orantılı olarak bağlıdır.

Konvektif ısı transferi- konveksiyon ve termal iletkenlik yoluyla eşzamanlı ısı transferi. Mühendislik hesaplamalarında, sıvı veya gaz akışları ile bir yüzey arasındaki konvektif ısı transferi sıklıkla belirlenir. sağlam. Bu konvektif ısı transferi işlemine konvektif ısı transferi veya basitçe ısı transferi denir.

Radyasyon

Radyasyon ( termal radyasyon, radyasyon), ısıyı bir vücudun iç enerjisine formda aktarma işlemidir. elektromanyetik dalgalar.

Bu süreç üç aşamada gerçekleşir:

• bir vücudun iç enerjisinin bir kısmının elektromanyetik dalgaların enerjisine dönüştürülmesi;
• elektromanyetik dalgaların uzayda yayılması;
• radyasyon enerjisinin başka bir cisim tarafından emilmesi.

Radyasyon-iletimle ısı transferi- radyasyon ve termal iletkenlik yoluyla ortak ısı değişimi.

Isı miktarı

Isı miktarı (Q)- Isı transferi sürecinde vücuda verilen enerjiye ısı miktarı denir ve [J] cinsinden ölçülür.

Eğer fiziksel durum madde değişmez (değişmez) potansiyel enerji Moleküllerin birbirleriyle etkileşimi ve kinetik olanın değişmesi), o zaman iç enerjideki değişiklik iç sıcaklıktaki bir değişiklikle ilişkilendirilir.

Q ~ ΔT
Alınan ısı miktarı vücut ısısındaki farkla doğru orantılıdır.

Orantılılık katsayısı vücuda, kütleye ve hacme bağlıdır ve vücudun bir özelliğidir. Bir bardak su alıp sıcaklığı 1 Kelvin arttırırsak bir miktar ısıya ihtiyacımız olur. Denize girersek tamamen farklı miktarda ısıya ihtiyacımız olacak.

Q = СΔТ
C vücudun ısı kapasitesidir.

Vücudun ısı kapasitesi- Vücudun sıcaklığını 1 Kelvin artırmak için iletmesi gereken ısı miktarına sayısal olarak eşit fiziksel miktar.

Özgül ısı

Bir cismin ısı kapasitesi doğrudan cismin kütlesine bağlıdır; bu maddenin bir özelliğidir.

C = cm, с=С/m, [c] = [J/kg*K]
C özgül ısı kapasitesidir (maddenin ısı kapasitesi).

Buna göre ısı miktarı formülü aşağıdaki şekilde yazılabilir.

Q = cmΔТ
c maddenin ısı kapasitesidir
m - vücut ağırlığı
ΔT - sıcaklık farkı

Özgül ısı maddeler- Bir kg maddenin sıcaklığını 1 Kelvin artırmak için verilmesi gereken ısı miktarına sayısal olarak eşit olan fiziksel miktar.

Bir cismin ısı kapasitesi ısı miktarı ile karakterize edilir. , bu cismin bir derece (J/derece) kadar ısıtılması gerekir. Bir cismin sıcaklığını T derece artırmak için onu ΔQ joule olarak bilgilendirmeniz gerekiyorsa, o zaman cismin ΔT aralığındaki ortalama ısı kapasitesi şu şekilde belirlenir:

Bir cismin ısı kapasitesi kütlesiyle orantılıdır ve cismin maddesine bağlıdır. Belirli bir maddenin (tahta, demir, hava vb.) özgül ısı kapasitesi Csp, derece başına ısı miktarı ile karakterize edilir ve J/kg derece cinsinden ölçülür. Spesifik ısı.

Gazlar için, belirli bir maddenin bir kilomolünü bir derece ısıtmak için gereken ısı miktarıyla karakterize edilen molar ısı kapasitesinin (C mol veya basitçe C) kullanılması uygundur.

Açıkça görülüyor ki

C atım /J/kg * derece/ * μ/kg/kmol/ = C /J/kmol * derece/.

Herhangi bir gazın 1 kilomolü aynı sayıda molekül içerdiğinden ve moleküllerin ortalama kinetik enerjisi kütlelerine bağlı olmadığından, yeterince seyreltilmiş tüm gazların molar ısı kapasitelerinin aynı olmasını bekleyebiliriz.

Bir cismin ısı kapasitesi, ısıtma işlemi sırasında cismin durumlarının nasıl değiştiğine önemli ölçüde bağlıdır. Basitlik açısından ideal bir tek atomlu gazı ele alalım. Kapalı bir hacimde bulunan bir gazı ısıtırsak, V = const (Şekil 1, a), o zaman sağlanan tüm ısı ΔQ yalnızca gazın iç enerjisini artırmaya gidecektir. O zaman ΔA = 0'da termodinamiğin birinci yasası şu şekilde olacaktır: ΔQ = ΔU.

Bu durumda gazın sıcaklığı iç enerjisindeki artışa bağlı olarak artacaktır, yani ideal bir gazın sıcaklığı iç enerjisiyle orantılıdır. Gaz basıncı R. de sıcaklıkla orantılı olarak artacaktır. Sabit hacimdeki bir gazın ısı kapasitesini C ile gösterelim.

Isıtma işlemi sırasında basıncın korunmasını istiyorsak gazın genleşmesine izin verilmelidir. Bunu yapmak için gazı, P = sabit basınca maruz kalan pistonlu bir silindire yerleştiriyoruz (Şekil 1, b). İdeal bir gazın iç enerjisi U hacmine bağlı olmadığından, onu arttırmak için gereken ısı miktarı aynı kalacaktır. Ancak gaz aynı sıcaklığa ısıtıldığında, sağlanan ısının bir kısmı artık karşı çalışmaya harcanıyor dış kuvvetler gaz genişlediğinde. Sonuç olarak, gazı önceki durumdakiyle aynı sıcaklığa ısıtmak için (V = sabit), harcamak gerekecektir. Daha sıcaklık. Böylece, gazın ısı kapasitesi ΔQ/ΔT sabit basınç bunu Cr ile gösteriyoruz. , CV'den büyük olacaktır.

Bu örnek çok önemlidir. Gazı ΔT derece kadar ısıtmak için gereken ısı miktarının ΔQ önemli ölçüde ek koşullara bağlı olduğunu gösterir - gazın durumunu belirleyen diğer mikroskobik parametrelerin ölçümlerinin doğası, yani. P. ve V. Dikkate alınan işlemlere ek olarak en basitiyle karakterize edilir ek koşullar V = const ve P. = const, buna karşılık gelen diğer birçok şeyi düşünebiliriz çeşitli değişiklikler V ve R. ısıtıldığında. Her prosesin kendi ısı kapasitesi C olacaktır.

Değerler C r. İdeal bir gaz için ve C v basit bir ilişkiyle ilişkilidir:

R'den. – С v = R (2)

Bu ilişkiye Robert Mayer'in 1842'de elde ettiği yasa denir.

İdeal bir gaz için, sabit basınçtaki molar ısı kapasitesi, sabit hacimdeki molar ısı kapasitesini R değeri kadar, yani 8,31 kJ/kmol derece aşar.

Evrensel gaz sabiti R, sayısal olarak ideal bir gazın bir kilomolünün sabit basınçta bir derece ısıtıldığında yaptığı genleşme işine eşittir.

Deneyimler gösteriyor ki her durumda dönüşüm mekanik enerjiısıtmak ve geri döndürmek her zaman tam olarak eşdeğer miktarlarda gerçekleştirilir. Sonuçta termal hareket de olduğundan mekanik hareket bireysel moleküller (sadece yönlendirilmiş değil, kaotik), o zaman tüm bu dönüşümler sırasında, yalnızca dış değil, aynı zamanda iç hareketlerin enerjisi de dikkate alınarak enerjinin korunumu yasasına uyulmalıdır. Bu yasanın bu genel formülasyonuna termodinamiğin birinci yasası denir ve şu şekilde yazılır:

ΔQ = ΔU + ΔA, yani

Vücuda verilen ısı miktarı (ΔQ), iç enerjinin (ΔU) artmasına ve ısıyla iş yapılmasına (ΔA) gider.

Bununla birlikte, genleşen gazın bulunduğu kap ısıl olarak yalıtılmışsa çevre, o zaman ısı transferi olmayacaktır, yani ΔQ = 0. Bu koşul altında meydana gelen işleme adyabatik denir. Adyabatik bir süreç için termodinamiğin birinci yasasının denklemi şu şekilde olacaktır:

ΔQ = 0 0 = ΔU + ΔA veya ΔA = - ΔU. (3)

Sonuç olarak, adyabatik bir süreç sırasında iş yalnızca gazın iç enerjisinden dolayı yapılır. Adyabatik genleşme sırasında gaz iş yapar ve iç enerjisi ve dolayısıyla sıcaklığı düşer. Adyabatik sıkıştırma sırasında gaz işi negatiftir ( dış çevre gaz üzerinde çalışma yapar), gazın iç enerjisi ve sıcaklığı artar.

Adyabatik bir işlem sırasında ısı kapasitesi 0'a eşit olacaktır, yani.

Adyabatik süreci tanımlayan denklem şu şekildedir:

PV γ = sabit; burada γ = С Р /С V. (4)

С Р >С V olduğundan γ>1 olur ve denklem (4) ile gösterilen eğri izotermden daha dik olur (Şekil 2). Adyabatik bir süreç tarafından yapılan iş miktarı özellikle denklem (3) kullanılarak kolaylıkla hesaplanabilir:

Tek atomlu bir gaz için C = 12,5 kJ/k mol derece, Cr. =C v + =20,8 kJ/k mol derece ve adyabatik üs y=C P /C v =1,67.

Normal sıcaklıklarda diatomik gazlar için

g=29,1/20,8=1,4.

Çok atomlu gazlar için γ birliğe daha da yakındır.

Yüksek hızlı motorlarda içten yanmalı ve gazlar nozullardan aktığında jet motorları Gaz genleşme süreci o kadar hızlı ilerler ki pratik olarak adyabatik olarak kabul edilebilir ve

/4/ denklemini kullanarak hesaplayın.

Deneyimler şunu da gösteriyor: ses titreşimleri minimum frekanslarda, bir salınım sırasında /~0,1 s/sıkıştırılmış/ ve dolayısıyla ısıtılan/ ve boşaltılan / ve dolayısıyla soğutulan/ dalganın bölgeleri arasındaki sıcaklık düzleşmek için zamana sahip değildir. Uygulamada, sesin yayılma süreci adyabatik olarak kabul edilebilir, dolayısıyla sesin yayılma hızı ideal gazşu ifadeyle belirlenir:

Buradan bulmak kolaydır:

Böylece, γ'nın belirlenmesi ses hızının ölçülmesine indirgenir ve mutlak sıcaklık hava. Bu çalışmada sesin hızı duran dalga yöntemi olan Kundt yöntemiyle belirlenmektedir.

II. DENEYSEL KURULUMIN AÇIKLAMASI.

Şema deneysel kurulumŞekil 3'te gösterilmektedir. Jeneratör 1'den bir elektrik sinyali alan T telefonu, boru 2'ye ses dalgaları yayar. Mikrofon M'ye ulaştıktan sonra ses dalgası, elektronik osiloskopun 3 dikey saptırma plakalarına sağlanan voltaja dönüştürülür. Gerilim, ses üretecinin çıkış terminallerinden doğrudan X yatay saptırma plakalarına beslenir. Telefon, tüpün sol ucuna sağlam bir şekilde sabitlenmiştir ve mikrofon, tüpün içinde serbestçe hareket edebilmektedir.

Y plakalarına gelen sinyalin, X plakalarına sağlanan sinyale göre faz kayması, sesin mikrofon ile telefon arasındaki mesafeyi kat etmesi için geçen süreye bağlıdır ve λ dalga boyunu belirlemek için kullanılabilir. Kurulumu açtığınızda Ellis'in osiloskop ekranında görünmesi gerekir. Mikrofon ile telefon arasındaki mesafeyi değiştirerek elipsi düz bir çizgiye dönüştürebilirsiniz. Şimdi mikrofonu λ/2 oranında hareket ettirirsek, ekranda bu sefer diğer çeyreklerden geçen düz bir çizgi yeniden görünecektir. Daha fazla yer değiştirmeyle düz çizgi tekrar yönünü vb. değiştirecektir. Böylece Lissajous figürleri adı verilen figürleri kullanarak uzunluğu doğrudan ölçebilirsiniz. ses dalgası havadaki formülü kullanın ve sesin hızını, jeneratörün Hz cinsinden frekansının nerede olduğunu belirleyin.

III.ÖLÇÜMLERİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ İÇİN PROSEDÜR.

1. Osiloskopu açın ve 10 dakika ısınmasına izin verin.

2. Ses üretecini açın ve öğretmen tarafından belirlenen frekansa/frekansa ayarlayın. Jeneratör çıkışındaki voltajı 1,5 V'a ayarlayın.

3. Mikrofon çubuğu göstergesini 5 ölçeğin 4 /Şek/ en sağ konumuna ayarlayın; osiloskop ekranında bir Lissajous şekli /elips veya düz çizgi/ görünecektir.

4. Çubuğu mikrofonla birlikte sola hareket ettirerek, elipsin düğümlere karşılık gelen net bir düz çizgiye dönüştüğü mikrofon çubuğunun / / konumunu sabitleyin duran dalga/4 ölçeğinde cm cinsinden sayın/.

5. Dalga boyunun yarısı olan düğüm noktaları arasındaki farkı hesaplayın.

11.Sonuçları çıkarın.

IV. TEST SORULARI.

10 numaralı çalışmaya bakınız.

ISI KAPASİTESİ- ısı miktarı; 1 derece (1 ° C veya 1 K) ısıtıldığında vücut tarafından emilir; daha doğrusu, sıcaklığında sonsuz küçük bir değişiklik olan bir cismin emdiği ısı miktarının bu değişime oranı. T. Bir maddenin kütle birimlerine denir. spesifik T., 1 mol madde-molar (molar) T. T. birimleri J/(kg K), JDmol K), J/(m3 K) ve ekstrasistemik birim cal/(mol K)'dir. .

Durumu değiştiğinde bir cisim tarafından emilen ısı miktarı, yalnızca başlangıç ​​ve son durumlara (özellikle sıcaklıklarına) değil, aynı zamanda aralarındaki geçiş sürecinin gerçekleştirildiği yönteme de bağlıdır. Buna göre vücudun sıcaklığı, onu ısıtma yöntemine bağlıdır. Sıcaklık genellikle oruç sırasında ayırt edilir. hacim ( ÖZGEÇMİŞ) ve T. postada. basınç ( P'li), ısıtma işlemi sırasında sırasıyla gövdenin hacmi veya basıncı sabit tutulursa. DC'de ısıtırken. basınç, ısının bir kısmı vücudun genleşme işini üretmeye ve bir kısmı da onu arttırmaya gider iç enerji DC'de ısıtıldığında ise. hacim, tüm ısı iç hacmi arttırmak için harcanır enerji; bundan dolayı SR ÖZGEÇMİŞ her zaman olduğundan daha fazlası P'li - . Gazlar için (ideal kabul edilebilecek kadar nadir), molar T'deki fark. CV = R , Nerede R - evrensel gaz sabiti DC'de ısıtıldığında ise. hacim, tüm ısı iç hacmi arttırmak için harcanır enerji; bundan dolayı, 8,314 J/(Dmol·K) veya 1,986 calDmol·K'ye eşittir). ÖZGEÇMİŞ Sıvı ve katı maddeler arasındaki fark DC'de ısıtıldığında ise. hacim, tüm ısı iç hacmi arttırmak için harcanır enerji; bundan dolayı Ve

nispeten küçük. T. Bazı madde ve malzemeler tabloda verilmiştir. 1 ve 2. Katı (kristalin) cisimlerde atomların termal hareketi, belirli bir noktaya yakın küçük titreşimleri temsil eder. denge konumları (kristal kafes düğümleri). Bu nedenle her atomun üç titreşimi vardır. serbestlik derecesi ve eşbölüm yasasına göre katı bir cismin molar sıcaklığı (kristal kafesin sıcaklığı) 3'e eşit olmalıdır nR , Nerede N -bir moleküldeki atom sayısı. Ancak gerçekte bu değer yalnızca katı bir cismin sıcaklığının yüksek sıcaklıklarda yöneldiği sınırdır. Çoğu kişi için bu zaten normal sıcaklıklarda başarılmıştır. dahil olmak üzere unsurlar metaller (n=1 , sözde Dulong ve Petit hukuku ) ve bazı basit bileşikler için; en karmaşık bileşikler

bu sınıra aslında ulaşılmıyor çünkü daha erken geliyor erime 3 (madde veya onun ayrışması. Düşük sıcaklıklarda katı cismin kafes bileşeni T'nin orantılı olduğu ortaya çıkar. T Debye'nin ısı kapasitesi kanunu) . Yüksek ve düşük sıcaklıkları ayırt etme kriteri, bunları her bir maddenin parametre özelliğiyle (sözde) karşılaştırmaktır. karakteristik veya Debye sıcaklığı Q D . Yüksek ve düşük sıcaklıkları ayırt etme kriteri, bunları her bir maddenin parametre özelliğiyle (sözde) karşılaştırmaktır. karakteristik veya Bu değer, vücuttaki atomların titreşim spektrumu tarafından belirlenir ve dolayısıyla kristaline önemli ölçüde bağlıdır. yapılar (bkz.

Kristal kafesin titreşimleri) . Genellikle q-birkaç mertebesinde bir değer. yüzlerce K'ya ulaşabilir, ancak (örneğin elmasta) binlerce K'ya ulaşabilir, Metallerin belirli bir özelliği vardır. iletim elektronları da sıcaklığa katkıda bulunur (bkz. Elektronik ısı kapasitesi) . T.'nin bu kısmı, elektronların uyduğu Fermi-Dirac istatistikleri kullanılarak hesaplanabilir. Elektronik T. metal orantılı. 3 ) ihmal edilebilir hale gelir. kristal halinde Döndürme mıknatıslarının düzenli bir düzenlemesine sahip gövdeler. Atomların momentleri (ferro- ve antiferromıknatıslar) bir tamamlayıcısı vardır. manyetik, bileşen T. Paramanyetik faza geçiş sıcaklığında. durumu (içinde Curie noktası veya buna göre Neel noktası ) T.'nin bu bileşeni keskin bir yükseliş yaşıyor - T.'nin bir "zirvesi" gözleniyor, bu karakteristik özellik faz geçişleri

2. tür. . Yaktı..: Landau L.D., Lifshits E.M., İstatistiksel Fizik, 3. baskı, bölüm 1, M., 1976; Fiziksel büyüklük tabloları. El Kitabı, ed. I. K. Kikoina, M., 1976..

E. M. Lifshits

Isı kapasitesi, ısıtma sırasında bir miktar ısıyı absorbe etme veya soğutma sırasında serbest bırakma yeteneğidir. Bir vücudun ısı kapasitesi, vücudun aldığı sonsuz küçük ısı miktarının sıcaklık göstergelerindeki karşılık gelen artışa oranıdır. Değer J/K cinsinden ölçülür. Pratikte biraz farklı bir değer kullanılır - spesifik ısı kapasitesi.

Tanım Özgül ısı kapasitesi ne anlama geliyor? Bu, bir maddenin birim miktarına ilişkin bir miktardır. Buna göre bir maddenin miktarı metreküp, kilogram ve hatta mol cinsinden ölçülebilir. Bu neye bağlıdır? Fizikte ısı kapasitesi doğrudan ne olduğuna bağlıdır. niceliksel birim molar, kütle ve hacimsel ısı kapasitesini ifade eder ve dolayısıyla bunlar arasında ayrım yapar. İÇİNDE inşaat sektörü çıkmayacaksın molar ölçümler

, ancak başkalarıyla - çok sık.

Spesifik ısı kapasitesini neler etkiler?

Isı kapasitesinin ne olduğunu biliyorsunuz ancak göstergeyi hangi değerlerin etkilediği henüz belli değil. Özgül ısı kapasitesinin değeri birkaç bileşenden doğrudan etkilenir: maddenin sıcaklığı, basınç ve diğer termodinamik özellikler.

Bir ürünün sıcaklığı arttıkça özgül ısı kapasitesi artar, ancak bazı maddeler bu bağımlılıkta tamamen doğrusal olmayan bir eğriye sahiptir. Örneğin, sıcaklık göstergelerinin sıfırdan otuz yedi dereceye çıkmasıyla suyun özgül ısı kapasitesi azalmaya başlar ve sınır otuz yedi ile yüz derece arasındaysa gösterge tam tersine arttırmak.

Parametrenin aynı zamanda ürünün termodinamik özelliklerinin (basınç, hacim vb.) nasıl değişmesine izin verildiğine de bağlı olduğunu belirtmekte fayda var. Örneğin sabit basınçta ve sabit hacimde özgül ısı kapasitesi farklı olacaktır.

Isı kapasitesinin ne olduğuyla ilgileniyor musunuz? Hesaplama formülü şu şekildedir: C=Q/(m·ΔT). Bunlar ne tür anlamlar? Q, ürünün ısıtıldığında aldığı (veya soğutma sırasında ürün tarafından salınan) ısı miktarıdır. m ürünün kütlesidir ve ΔT ürünün son ve başlangıç ​​sıcaklıkları arasındaki farktır. Aşağıda bazı malzemelerin ısı kapasitesinin bir tablosu bulunmaktadır.

Isı kapasitesinin hesaplanması hakkında ne söylenebilir?

Isı kapasitesini hesaplamak en kolay iş değildir, özellikle de yalnızca termodinamik yöntemler kullanıyorsanız bunu daha kesin bir şekilde yapmak imkansızdır. Bu yüzden fizikçiler yöntemler kullanıyor istatistiksel fizik veya ürünlerin mikroyapısı bilgisi. Gaz hesaplamaları nasıl yapılır? Gazın ısı kapasitesi hesaplamadan hesaplanır. ortalama enerji Bir maddedeki bireysel moleküllerin termal hareketi. Moleküler hareketler öteleme veya dönme olabilir ve bir molekülün içinde bütün bir atom veya atomların titreşimi olabilir. Klasik istatistikler dönme serbestliğinin her derecesi için şunu söylüyor ve öteleme hareketleri R/2'ye eşit olan molar değerdedir ve her titreşim serbestlik derecesi için değer R'ye eşittir. Bu kurala eşbölüm yasası da denir.

Bu durumda, tek atomlu bir gaz parçacığının yalnızca üç öteleme serbestlik derecesi vardır ve bu nedenle ısı kapasitesi 3R/2'ye eşit olmalıdır, bu da deneyle mükemmel bir uyum içindedir. Diatomik bir gazın her molekülü, üç öteleme, iki dönme ve bir titreşim serbestlik derecesi ile ayırt edilir; bu, eşbölüm yasasının 7R/2'ye eşit olacağı anlamına gelir ve deneyimler, bir mol diatomik gazın ısı kapasitesinin şu şekilde olduğunu göstermiştir: normal sıcaklıkta 5R/2'dir. Teoriler arasında neden bu kadar fark vardı? Her şey, ısı kapasitesini belirlerken çeşitli kuantum etkilerinin hesaba katılmasının, başka bir deyişle kuantum istatistiklerinin kullanılmasının gerekli olacağı gerçeğiyle bağlantılıdır. Gördüğünüz gibi ısı kapasitesi oldukça karmaşık bir kavramdır.

Kuantum mekaniği Bir gaz molekülü de dahil olmak üzere titreşen veya dönen herhangi bir parçacık sisteminin belirli özelliklere sahip olabileceğini söylüyor. ayrık değerler enerji. Kurulu sistemdeki termal hareketin enerjisi gerekli frekanstaki salınımları uyarmak için yeterli değilse, bu salınımlar sistemin ısı kapasitesine katkıda bulunmaz.

Katılarda atomların termal hareketi, belirli denge konumlarına yakın zayıf titreşimlerdir; bu, düğümler için geçerlidir. kristal kafes. Bir atomun üç titreşim serbestlik derecesi vardır ve yasaya göre katı bir cismin molar ısı kapasitesi şuna eşittir: 3nR, burada n, molekülde bulunan atomların sayısıdır. Uygulamada bu değer, yüksek sıcaklıklarda bir cismin ısı kapasitesinin yöneldiği sınırdır. Değer, birçok element için normal sıcaklık değişimleriyle elde edilir; bu, basit bileşiklerin yanı sıra metaller için de geçerlidir. Kurşun ve diğer maddelerin ısı kapasitesi de belirlenir.

Peki ya düşük sıcaklıklar?

Isı kapasitesinin ne olduğunu zaten biliyoruz ama eğer konuşursak düşük sıcaklıklar peki o zaman değer nasıl hesaplanacak? Eğer hakkında konuşuyoruz düşük sıcaklık göstergeleri hakkında, katı bir cismin ısı kapasitesi orantılı olduğu ortaya çıkar erime 3 veya sözde Debye'nin ısı kapasitesi kanunu. Ana kriter ayırt edilmesini sağlayan yüksek performans düşük sıcaklıklardan başlayarak, bunları karakteristik özelliklerle karşılaştırmak yaygındır. belli bir madde parametre - bu karakteristik veya Debye sıcaklığı q D olabilir. Sunulan değer, üründeki atomların titreşim spektrumu ile belirlenir ve önemli ölçüde kristal yapısına bağlıdır.

Metallerde iletim elektronları ısı kapasitesine belirli bir katkı sağlar. Bu bölümısı kapasitesi, elektronları hesaba katan Fermi-Dirac istatistikleri kullanılarak hesaplanır. Bir metalin olağan ısı kapasitesiyle orantılı olan elektronik ısı kapasitesi nispeten küçük bir değerdir ve metalin ısı kapasitesine yalnızca mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda katkıda bulunur. Daha sonra kafes ısı kapasitesi çok küçük hale gelir ve ihmal edilebilir.

Kütle ısı kapasitesi

Kütle özgül ısı kapasitesi, ürünü birim sıcaklıkta ısıtmak için bir maddenin birim kütlesine eklenmesi gereken ısı miktarıdır. Belirlenmiş verilen değer C harfi ve joule bölü kelvin başına kilogram - J/(kg K) cinsinden ölçülür. Hepsi kütle ısı kapasitesi için.

Hacimsel ısı kapasitesi nedir?

Hacimsel ısı kapasitesi, bir ürünün birim sıcaklığına ısıtılması için birim hacmine sağlanması gereken belirli bir ısı miktarıdır. Ölçülen bu gösterge joule cinsinden bölü metreküp kelvin başına veya J/(m³ K). Pek çok inşaat referans kitabında, işin kütlesel özgül ısı kapasitesi dikkate alınmaktadır.

Isı kapasitesinin inşaat sektöründe pratik uygulaması

Isıya dayanıklı duvarların yapımında birçok ısı yoğun malzeme aktif olarak kullanılmaktadır. Bu, periyodik ısıtma ile karakterize edilen evler için son derece önemlidir. Örneğin bir soba. Isı yoğun ürünler ve bunlardan yapılan duvarlar, ısıyı mükemmel bir şekilde biriktirir, ısıtma dönemlerinde depolar ve sistem kapatıldıktan sonra yavaş yavaş ısıyı serbest bırakarak gün boyunca kabul edilebilir bir sıcaklığı korumanıza olanak tanır.

Yani yapıda ne kadar fazla ısı depolanırsa odalardaki sıcaklık da o kadar konforlu ve stabil olacaktır.

Ev yapımında kullanılan sıradan tuğla ve betonun, genleşmiş polistirenden önemli ölçüde daha düşük bir ısı kapasitesine sahip olduğunu belirtmekte fayda var. Ecowool'u ele alırsak betondan üç kat daha fazla ısı kapasitesine sahiptir. Isı kapasitesinin hesaplanmasına yönelik formülde kütlenin mevcut olmasının boşuna olmadığı unutulmamalıdır. Ecowool'a kıyasla büyük, muazzam beton veya tuğla kütlesi sayesinde, yapıların taş duvarlarının büyük miktarda ısı biriktirmesine ve tüm günlük sıcaklık dalgalanmalarını yumuşatmasına olanak tanır. Sadece düşük kütle Tüm çerçeve evlerdeki yalıtım, iyi ısı kapasitesine rağmen, tüm çerçeve teknolojilerinin en zayıf alanıdır. karar vermek bu sorun, tüm evlere etkileyici ısı akümülatörleri yerleştirilmiştir. Nedir? Bunlar farklı yapısal parçalardır büyük kütle yeterince iyi performansısı kapasitesi.

Gerçek hayatta ısı akümülatörlerine örnekler

Ne olabilir? Örneğin bazı iç tuğla duvarlar, büyük bir soba veya şömine, beton şaplar.

Herhangi bir ev veya apartman dairesindeki mobilyalar mükemmel bir ısı akümülatörüdür, çünkü kontrplak, sunta ve ahşap aslında kötü şöhretli tuğlaya göre kilogram başına üç kat daha fazla ısı depolayabilir.

Termal akümülatörlerin herhangi bir dezavantajı var mı? Elbette bu yaklaşımın temel dezavantajı, ısı akümülatörünün bir çerçeve ev modeli oluşturma aşamasında tasarlanmasının gerekli olmasıdır. Bunun nedeni ağır olmasıdır ve temel oluşturulurken bunun dikkate alınması gerekecek ve ardından bu nesnenin iç mekana nasıl entegre edileceğini hayal edin. Sadece kütleyi hesaba katmanız gerekmeyeceğini, aynı zamanda çalışmanızda her iki özelliği de değerlendirmeniz gerekeceğini söylemekte fayda var: kütle ve ısı kapasitesi. Örneğin, ısı akümülatörü olarak metreküp başına yirmi ton gibi inanılmaz bir ağırlığa sahip altın kullanırsanız, ürün, iki buçuk ton ağırlığındaki bir beton küpten yalnızca yüzde yirmi üç daha iyi şekilde gerektiği gibi çalışacaktır.

Isı akümülatörü için en uygun madde hangisidir?

En iyi ürün bir ısı akümülatörü için kesinlikle beton ve tuğla değildir! Bakır, bronz ve demir bu görevle iyi başa çıkıyor ancak çok ağırlar. İşin garibi, ama en iyi ısı akümülatörü sudur! Sıvı, elimizde bulunan maddeler arasında en büyüğü olan etkileyici bir ısı kapasitesine sahiptir. Daha fazla ısı kapasitesi sadece helyum gazları (5190 J/(kg K) ve hidrojen (14300 J/(kg K) için), ancak bunların pratikte kullanılması sorunludur. Arzu edilirse ve gerekliyse, ihtiyacınız olan maddelerin ısı kapasitesi tablosuna bakın.

Bir cismin ısı kapasitesi, belirli bir cismin sıcaklığını bir derece artırmak için verilmesi gereken ısı miktarıdır. Vücut bir derece soğuduğunda aynı miktarda ısı verir. Isı kapasitesi vücut kütlesiyle orantılıdır. Bir cismin birim kütlesinin ısı kapasitesine özgül ısı denir ve özgül ısı kapasitesi ile atomik veya moleküler ağırlık- sırasıyla atomik veya molar.

Isı kapasiteleri çeşitli maddeler birbirlerinden büyük ölçüde farklılık göstermektedir. Böylece, suyun 20° C'deki özgül ısı kapasitesi 4200 J/kg K, çam ağacı - 1700, hava - 1010'dur. Metaller için bu daha azdır: alüminyum - 880 J/kg K, demir - 460, bakır - 385, kurşun - 130. Özgül ısı kapasitesi sıcaklıkla birlikte hafifçe artar (90°C'de suyun ısı kapasitesi 4220 J/kg·K'dir) ve faz dönüşümleri sırasında büyük ölçüde değişir: 0°C'deki buzun ısı kapasitesi, kurşundan 2 kat daha azdır. suyunki; Su buharının 100°C'deki ısı kapasitesi yaklaşık 1500 J/kg K'dir.

Isı kapasitesi, vücut sıcaklığındaki değişikliklerin meydana geldiği koşullara bağlıdır. Vücudun büyüklüğü değişmezse, o zaman tüm ısı iç enerjiyi değiştirmeye gider. Bu, sabit hacimdeki ısı kapasitesini ifade eder. sayesinde sabit dış basınçta termal genleşme yapılıyor mekanik iş Dış kuvvetlere karşı dayanıklıdır ve belirli bir sıcaklığa kadar ısıtmak daha fazla ısı gerektirir. Bu nedenle sabit basınçta ısı kapasitesi her zaman daha büyüktür. İçin ideal gazlar(şekle bakın), burada R, 8,32 J/mol K'ye eşit gaz sabitidir.

Genellikle ölçülür. Klasik yol Isı kapasitesi ölçümleri şu şekildedir: Isı kapasitesi ölçülecek cisim belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve başlangıç ​​sıcaklığı su veya ısı kapasitesi bilinen başka bir sıvı ile doldurulmuş bir kalorimetreye yerleştirilir ve - kalorimetrenin ısı kapasitesi ve sıvı).

Kurulduktan sonra kalorimetrede sıcaklığın ölçülmesi termal denge Vücudun ısı kapasitesini aşağıdaki formülü kullanarak hesaplayabilirsiniz:

vücudun kütleleri, sıvı ve kalorimetre nerede ve nelerdir.

En gelişmiş teori gazların ısı kapasitesidir. Normal sıcaklıklarda ısıtma, esas olarak gaz moleküllerinin öteleme ve dönme hareketinin enerjisinde bir değişikliğe yol açar. Tek atomlu gazların molar ısı kapasitesi için teori, diatomik ve çok atomlu gazları verir - ve. Çok düşük sıcaklıklarda ısı kapasitesi biraz daha düşüktür. kuantum etkileri(bkz. Kuantum mekaniği). Şu tarihte: yüksek sıcaklıklar eklendi titreşim enerjisi ve çok atomlu gazların ısı kapasitesi artan sıcaklıkla artar.

Kristallerin atomik ısı kapasitesi klasik teori, eşittir ve bu, Dulong ve Petit'in ampirik yasasıyla tutarlıdır (1819'da Fransız bilim adamları P. Dulong ve A. Petit tarafından kurulmuştur). Kuantum teorisiısı kapasitesi yüksek sıcaklıklarda aynı sonuca varır, ancak sıcaklık düştükçe ısı kapasitesinde bir azalma öngörür. yakından mutlak sıfır tüm cisimlerin ısı kapasitesi sıfıra eğilimlidir (termodinamiğin üçüncü yasası).