La capacità termica di un gas è la quantità di energia che un corpo assorbe quando viene riscaldato di un grado. Analizziamo le caratteristiche principali di questa grandezza fisica.
Definizioni
Il calore specifico di un gas è la massa unitaria di una particolare sostanza. Le sue unità di misura sono J/(kg·K). La quantità di calore che viene assorbita dal corpo nel processo di modifica del suo stato di aggregazione è associata non solo allo stato iniziale e finale, ma anche al metodo di transizione.
Dipartimento
La capacità termica dei gas è divisa per il valore determinato a volume costante (Cv), pressione costante (Cр).
Nel caso di riscaldamento senza modificare la pressione, parte del calore viene speso per produrre il lavoro di espansione del gas e parte dell'energia viene spesa per aumentare l'energia interna.
La capacità termica dei gas a pressione costante è determinata dalla quantità di calore che viene spesa per aumentare l'energia interna.
Stato del gas: caratteristiche, descrizione
La capacità termica di un gas ideale è determinata tenendo conto del fatto che Сp-Сv=R. Quest'ultima quantità è chiamata costante gassosa universale. Il suo valore corrisponde a 8.314 J/(mol K).
Quando si effettuano calcoli teorici della capacità termica, descrivendo ad esempio il rapporto con la temperatura, non è sufficiente utilizzare solo metodi termodinamici, è importante armarsi di elementi di fisica statica.
La capacità termica dei gas comporta il calcolo del valore medio dell'energia del moto traslatorio di alcune molecole. Tale movimento è riassunto dal moto di rotazione e traslazione della molecola, nonché dalle vibrazioni interne degli atomi.
Nella fisica statica, ci sono informazioni che per ogni grado di libertà del movimento rotatorio e traslatorio, esiste una quantità per un gas che è uguale alla metà della costante universale del gas.
Fatti interessanti
Si presume che una particella di un gas monoatomico abbia tre gradi di libertà traslazionali, quindi il calore specifico di un gas ha tre gradi di libertà traslazionali, due rotazionali e uno vibrazionale. La legge della loro distribuzione uniforme porta ad eguagliare il calore specifico a volume costante a R.
Durante gli esperimenti, è stato riscontrato che la capacità termica di un gas biatomico corrisponde al valore R. Tale discrepanza tra teoria e pratica è spiegata dal fatto che la capacità termica di un gas ideale è associata a effetti, quindi, quando si effettuano i calcoli, è importante utilizzare statistiche basate sul quantisticomeccanica.
Basato sui fondamenti della meccanica quantistica, qualsiasi sistema di particelle che oscilla o ruota, comprese le molecole di gas, ha solo alcuni valori discreti di energia.
Se l'energia del moto termico nel sistema non è sufficiente ad eccitare oscillazioni di una certa frequenza, tali movimenti non contribuiscono alla capacità termica totale del sistema.
Di conseguenza, uno specifico grado di libertà viene "congelato", è impossibile applicarvi la legge di equipartizione.
La capacità termica dei gas è una caratteristica importante dello stato da cui dipende il funzionamento dell'intero sistema termodinamico.
La temperatura alla quale la legge di equipartizione può essere applicata al grado di libertà vibrazionale o rotazionale è caratterizzata dalla teoria quantistica, collega la costante di Planck con la costante di Boltzmann.
Gas biatomici
Gli scarti tra i livelli di energia rotazionale di tali gas sono di un piccolo numero di gradi. L'eccezione è l'idrogeno, in cui il valore della temperatura è determinato da centinaia di gradi.
Ecco perché la capacità termica di un gas a pressione costante è difficile da descrivere con la legge della distribuzione uniforme. Nella statistica quantistica, quando si determina la capacità termica, si tiene conto che la sua parte vibrazionale, in caso di diminuzione della temperatura, diminuisce rapidamente e raggiunge lo zero.
Questo fenomeno spiega il fatto che a temperatura ambiente non c'è praticamente alcuna parte vibrazionale della capacità termica, pergas biatomico, corrisponde alla costante R.
La capacità termica di un gas a volume costante nel caso di indicatori di bassa temperatura è determinata utilizzando la statistica quantistica. C'è il principio di Nernst, che è chiamato la terza legge della termodinamica. In base alla sua formulazione, la capacità termica molare di un gas diminuirà al diminuire della temperatura, tendendo a zero.
Caratteristiche dei solidi
Se la capacità termica di una miscela di gas può essere spiegata usando la statistica quantistica, allora per uno stato solido di aggregazione, il movimento termico è caratterizzato da lievi fluttuazioni di particelle vicino alla posizione di equilibrio.
Ogni atomo ha tre gradi di libertà vibrazionali, quindi, secondo la legge di equipartizione, la capacità termica molare di un solido può essere calcolata come 3nR, dove n è il numero di atomi in una molecola.
In pratica, questo numero è il limite a cui tende la capacità termica di un corpo solido alle alte temperature.
Il massimo può essere ottenuto a temperature normali per alcuni elementi, inclusi i metalli. Per n=1, la legge di Dulong e Petit è soddisfatta, ma per le sostanze complesse è piuttosto difficile raggiungere tale limite. Poiché il limite non può essere ottenuto nella re altà, si verifica la decomposizione o la fusione del solido.
Storia della teoria quantistica
I fondatori della teoria quantistica sono Einstein e Debye all'inizio del ventesimo secolo. Si basa sulla quantizzazione dei moti oscillatori degli atomi in un certocristallo. Nel caso di indicatori di bassa temperatura, la capacità termica di un corpo solido risulta essere direttamente proporzionale al valore assoluto preso al cubo. Questa relazione è stata chiamata legge di Debye. Come criterio che permette di distinguere tra indicatori di bassa e alta temperatura, viene preso il loro confronto con la temperatura di Debye.
Questo valore è determinato dallo spettro di vibrazioni di un atomo nel corpo, quindi dipende seriamente dalle caratteristiche della sua struttura cristallina.
QD è un valore che ha diverse centinaia di K, ma, ad esempio, è molto più alto nel diamante.
Gli elettroni di conduzione danno un contributo significativo alla capacità termica dei metalli. Per calcolarlo si utilizzano le statistiche quantistiche di Fermi. La conducibilità elettronica per gli atomi di metallo è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. Trattandosi di un valore insignificante, viene preso in considerazione solo a temperature tendenti allo zero assoluto.
Metodi per determinare la capacità termica
Il metodo sperimentale principale è la calorimetria. Per effettuare un calcolo teorico della capacità termica, viene utilizzata la termodinamica statistica. Vale per un gas ideale, così come per i corpi cristallini, si effettua sulla base di dati sperimentali sulla struttura della materia.
I metodi empirici per calcolare la capacità termica di un gas ideale si basano sull'idea della struttura chimica, sul contributo dei singoli gruppi di atomi a Ср.
Per i liquidi vengono utilizzati anche metodi basati sull'uso della termodinamicacicli che permettono di passare dalla capacità termica di un gas ideale ad un liquido attraverso la derivata della temperatura dell'entalpia del processo di evaporazione.
Nel caso di una soluzione non è consentito il calcolo della capacità termica come funzione additiva, in quanto il valore in eccesso della capacità termica della soluzione è sostanzialmente significativo.
Per valutarlo, abbiamo bisogno della teoria statistica molecolare delle soluzioni. La più difficile è l'identificazione della capacità termica di sistemi eterogenei nell'analisi termodinamica.
Conclusione
Lo studio della capacità termica permette di calcolare il bilancio energetico dei processi che avvengono nei reattori chimici, così come in altri apparati di produzione chimica. Inoltre, questo valore è necessario per la selezione dei tipi ottimali di refrigeranti.
Attualmente, la determinazione sperimentale della capacità termica di sostanze per vari intervalli di temperatura - da valori bassi a valori alti - è l'opzione principale per determinare le caratteristiche termodinamiche di una sostanza. Quando si calcola l'entropia e l'entalpia di una sostanza, vengono utilizzati integrali di capacità termica. Le informazioni sulla capacità termica dei reagenti chimici in un determinato intervallo di temperatura consentono di calcolare l'effetto termico del processo. Le informazioni sulla capacità termica delle soluzioni consentono di calcolare i loro parametri termodinamici a qualsiasi valore di temperatura all'interno dell'intervallo analizzato.
Ad esempio, un liquido è caratterizzato dal dispendio di parte del calore per modificare il valore dell'energia potenzialemolecole reattive. Questo valore è chiamato capacità termica di "configurazione", usata per descrivere le soluzioni.
È difficile condurre calcoli matematici a tutti gli effetti senza tener conto delle caratteristiche termodinamiche di una sostanza, del suo stato di aggregazione. Ecco perché per liquidi, gas, solidi viene utilizzata una caratteristica come la capacità termica specifica, che consente di caratterizzare i parametri energetici di una sostanza.
