Теплоемкость вещества что означает. Удельная теплоемкость: для чего она нужна и в чем ее смысл

Введем теперь очень важную термодинамическую характеристику, называемую теплоемкостью системы (традиционно обозначается буквой С с различными индексами).

Теплоемкость - величина аддитивная , она зависит от количества вещества в системе. Поэтому вводят также удельную теплоемкость

Удельная теплоемкость - это теплоемкость единицы массы вещества

и молярную теплоемкость

Молярная теплоемкость - это теплоемкость одного моля вещества

Поскольку количество теплоты не есть функция состояния и зависит от процесса, теплоемкость также будет зависеть от способа подвода тепла к системе. Чтобы понять это, вспомним первое начало термодинамики. Разделив равенство (2.4) на элементарное приращение абсолютной температуры dT, получим соотношение

Второе слагаемое, как мы убедились, зависит от вида процесса. Отметим, что в общем случае неидеальной системы, взаимодействием частиц которой (молекул, атомов, ионов и т. п.) пренебречь нельзя (см., например, § 2.5 ниже, в котором рассматривается ван–дер–ваальсовский газ), внутренняя энергия зависит не только от температуры, но и от объема системы. Это объясняется тем, что энергия взаимодействия зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. При изменении объема системы меняется концентрация частиц, соответственно, меняется среднее расстояние между ними и, как следствие, меняется энергия взаимодействия и вся внутренняя энергия системы. Другими словами, в общем случае неидеальной системы

Поэтому, в общем случае первое слагаемое нельзя писать в виде полной производной, полную производную необходимо заменить на частную производную с дополнительным указанием на то, при какой постоянной величине она вычисляется. Например, для изохорного процесса:

.

Или для изобарного процесса

Входящая в это выражение частная производная вычисляется с помощью уравнения состояния системы, записанного в виде . Например, в частном случае идеального газа

эта производная равна

.

Мы рассмотрим два частных случая, соответствующих процессу подведения теплоты:

• постоянном объеме;
• постоянном давлении в системе.

В первом случае работа dА = 0 и мы получаем теплоемкость С V идеального газа при постоянном объеме:

С учетом сделанной выше оговорки, для неидеальной системы соотношение (2.19) необходимо записать в следующем общем виде

Заменив в 2.7 на , а на немедленно получаем:

.

Для вычисления теплоемкости идеального газа С p при постоянном давлении (dp = 0 ) мы учтем, что из уравнения (2.8) следует выражение для элементарной работы при бесконечно малом изменении температуры

Получаем в итоге

Разделив это уравнение на число молей вещества в системе, получаем аналогичное соотношение для молярных теплоемкостей при постоянном объеме и давлении, называемое соотношением Майера

Приведем для справки общую формулу - для произвольной системы - связывающую изохорную и изобарную теплоемкости:

Выражения (2.20) и (2.21) получаются из этой формулы путем подстановки в неё выражения для внутренней энергии идеального газа и использования его уравнения состояния (см. выше):

.

Теплоемкость данной массы вещества при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме, так как часть подведенной энергии тратится на совершение работы и для такого же нагревания требуется подвести больше теплоты. Отметим, что из (2.21) следует физический смысл газовой постоянной:

Таким образом, теплоемкость оказывается зависящей не только от рода вещества, но и от условий, в которых происходит процесс изменения температуры.

Как мы видим, изохорная и изобарная теплоемкости идеального газа от температуры газа не зависят, для реальных веществ эти теплоемкости зависят, вообще говоря, также и от самой температуры Т .

Изохорную и изобарную теплоемкости идеального газа можно получить и непосредственно из общего определения, если воспользоваться полученными выше формулами (2.7) и (2.10 ) для количества теплоты, получаемого идеальным газом при указанных процессах.

Для изохорного процесса выражение для С V следует из (2.7):

Для изобарного процесса выражение для С р вытекает из (2.10 ):

Для молярных теплоемкостей отсюда получаются следующие выражения

Отношение теплоемкостей равно показателю адиабаты:

На термодинамическом уровне нельзя предсказать численное значение g ; нам удалось это сделать лишь при рассмотрении микроскопических свойств системы (см. выражение (1.19 ), а также (1.28) для смеси газов). Из формул (1.19 ) и (2.24) следуют теоретические предсказания для молярных теплоемкостей газов и показателя адиабаты.

Одноатомные газы (i = 3 ):

Двухатомные газы (i = 5 ):

Многоатомные газы (i = 6 ):

Экспериментальные данные для различных веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Вещество			g

Видно, что простая модель идеальных газов в целом неплохо описывает свойства реальных газов. Обращаем внимание, что совпадение было получено без учета колебательных степеней свободы молекул газа.

Мы привели также значения молярной теплоемкости некоторых металлов при комнатной температуре. Если представить кристаллическую решетку металла как упорядоченный набор твердых шариков, соединенных пружинками с соседними шариками, то каждая частица может только колебаться в трех направлениях (i кол = 3 ), и с каждой такой степенью свободы связаны кинетическая k В Т/2 и такая же потенциальная энергия. Поэтому на частицу кристалла приходится внутренняя (колебательная) энергия k В Т. Умножая на число Авогадро, получим внутреннюю энергию одного моля

откуда вытекает значение молярной теплоемкости

(Вследствие малого коэффициента теплового расширения твердых тел для них не различают с р и c v ). Приведенное соотношение для молярной теплоемкости твердых тел называется законом Дюлонга и Пти, и из таблицы видно хорошее совпадение расчетного значения

с экспериментом.

Говоря о неплохом соответствии приведенных соотношений и данных опытов, следует отметить, что оно наблюдается лишь в определенном диапазоне температур. Иначе говоря, теплоемкость системы зависит от температуры, и формулы (2.24) имеют ограниченную область применения. Рассмотрим сначала рис. 2.10, на котором изображена экспериментальная зависимость теплоемкости с тV газообразного водорода от абсолютной температуры Т.

Рис. 2.10. Молярная теплоемкость газообразного водорода Н 2 при постоям ном объеме как функция температуры (экспериментальные данные)

Ниже, для краткости, говорится об отсутствии у молекул тех или иных степеней свободы в определенных температурных интервалах. Еще раз напомним, что речь в действительности идет о следующем. По квантовым причинам, относительный вклад во внутреннюю энергию газа отдельных видов движения действительно зависит от температуры и в определенных температурных интервалах может быть мал настолько, что в эксперименте - всегда выполняемом с конечной точностью - он незаметен. Результат эксперимента выглядит так, как будто этих видов движения нет, нет и соответствующих степеней свободы. Число и характер степеней свободы определяются структурой молекулы и трехмерностью нашего пространства - от температуры они зависеть не могут.

Вклад во внутреннюю энергию от температуры зависит и может быть мал.

При температурах ниже 100 К теплоемкость

что указывает на отсутствие у молекулы как вращательных, так и колебательных степеней свободы. Далее с ростом температуры теплоемкость быстро возрастает до классического значения

характерного для двухатомной молекулы с жесткой связью, в которой нет колебательных степеней свободы. При температурах свыше 2 000 К теплоемкость обнаруживает новый скачок до значения

Этот результат свидетельствует о появлении еще и колебательных степеней свободы. Но все это пока выглядит необъяснимым. Почему молекула не может вращаться при низких температурах? И почему колебания в молекуле возникают лишь при очень высоких температурах? В предыдущей главе дано краткое качественное рассмотрение квантовых причин подобного поведения. А сейчас можно лишь повторить, что все дело сводится к специфически квантовым явлениям, не объяснимым с позиций классической физики. Эти явления подробно рассмотрены в последующих разделах курса.

Дополнительная информация

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, Наука, 1977 г. - стр. 236 - таблица характеристических температур «включения» колебательных и вращательных степеней свободы молекул для некоторых конкретных газов;

Обратимся теперь к рис. 2.11, представляющему зависимость молярных теплоемкостей трех химических элементов (кристаллов) от температуры. При высоких температурах все три кривые стремятся к одному и тому же значению

соответствующему закону Дюлонга и Пти. Свинец (Рb) и железо (Fe) практически имеют это предельное значение теплоемкости уже при комнатной температуре.

Рис. 2.11. Зависимость молярной теплоемкости для трех химических элементов - кристаллов свинца, железа и углерода (алмаза) - от температуры

Для алмаза же (С) такая температура еще не достаточно высока. А при низких температурах все три кривые демонстрируют значительное отклонение от закона Дюлонга и Пти. Это еще одно проявление квантовых свойств материи. Классическая физика оказывается бессильной объяснить многие наблюдаемые при низких температурах закономерности.

Дополнительная информация

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - Я. де Бур Введение в молекулярную физику и термодинамику, Изд. ИЛ, 1962 г. - стр. 106–107, ч. I, § 12 - вклад электронов в теплоемкость металлов при температурах близких к абсолютному нулю;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Перельман Я.И. Знаете ли вы физику? Библиотечка «Квант», выпуск 82, Наука,1992г. Стр. 132, вопрос 137: какие тела обладают наибольшей теплоемкостью (ответ смотри на стр. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Перельман Я.И. Знаете ли вы физику? Библиотечка «Квант», выпуск 82, Наука,1992г. Стр. 132, вопрос 135: о нагревании воды в трех состояниях - твердом, жидком и парообразном (ответ смотри на стр. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - физическая энциклопедия. Калориметрия. Описаны методы измерения теплоемкостей.

Как вы думаете, что быстрее нагревается на плите: литр воды в кастрюльке или же сама кастрюлька массой 1 килограмм? Масса тел одинакова, можно предположить, что нагревание будет происходить с одинаковой скоростью.

А не тут-то было! Можете проделать эксперимент - поставьте пустую кастрюльку на огонь на несколько секунд, только не спалите, и запомните, до какой температуры она нагрелась. А потом налейте в кастрюлю воды ровно такого же веса, как и вес кастрюли. По идее, вода должна нагреться до такой же температуры, что и пустая кастрюля за вдвое большее время, так как в данном случае нагреваются они обе - и вода, и кастрюля.

Однако, даже если вы выждете втрое большее время, то убедитесь, что вода нагрелась все равно меньше. Воде потребуется почти в десять раз большее время, чтобы нагреться до такой же температуры, что и кастрюля того же веса. Почему это происходит? Что мешает воде нагреваться? Почему мы должны тратить лишний газ на подогрев воды при приготовлении пищи? Потому что существует физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества

Эта величина показывает, какое количество теплоты надо передать телу массой один килограмм, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Измеряется в Дж/(кг * ˚С). Существует эта величина не по собственной прихоти, а по причине разности свойств различных веществ.

Удельная теплоемкость воды примерно в десять раз выше удельной теплоемкости железа, поэтому кастрюля нагреется в десять раз быстрее воды в ней. Любопытно, что удельная теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды. Поэтому лед будет нагреваться в два раза быстрее воды. Растопить лед проще, чем нагреть воду. Как ни странно звучит, но это факт.

Расчет количества теплоты

Обозначается удельная теплоемкость буквой c и применяется в формуле для расчета количества теплоты:

Q = c*m*(t2 - t1),

где Q - это количество теплоты,
c - удельная теплоемкость,
m - масса тела,
t2 и t1 - соответственно, конечная и начальная температуры тела.

Формула удельной теплоемкости: c = Q / m*(t2 - t1)

Также из этой формулы можно выразить:

• m = Q / c*(t2-t1) - массу тела
• t1 = t2 - (Q / c*m) - начальную температуру тела
• t2 = t1 + (Q / c*m) - конечную температуру тела
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - разницу температур (дельта t)

А что насчет удельной теплоемкости газов? Тут все запутанней. С твердыми веществами и жидкостями дело обстоит намного проще. Их удельная теплоемкость - величина постоянная, известная, легко рассчитываемая. А что касается удельной теплоемкости газов, то величина эта очень различна в разных ситуациях. Возьмем для примера воздух. Удельная теплоемкость воздуха зависит от состава, влажности, атмосферного давления.

При этом, при увеличении температуры, газ увеличивается в объеме, и нам надо ввести еще одно значение - постоянного или переменного объема, что тоже повлияет на теплоемкость. Поэтому при расчетах количества теплоты для воздуха и других газов пользуются специальными графиками величин удельной теплоемкости газов в зависимости от различных факторов и условий.

Вода является одним из самых удивительных веществ. Несмотря на широкое распространение и повсеместное использование, она - настоящая загадка природы. Являясь одним из соединений кислорода, вода, казалось бы, должна иметь совсем низкими такие характеристики, как и замерзания, теплота парообразования и т. п. Но этого не происходит. Одна лишь теплоемкость воды, вопреки всему, чрезвычайно высока.

Вода способна поглощать огромное количество тепла, сама при этом практически не нагреваясь - в этом ее физическая особенность. воды выше теплоемкости песка примерно в пять раз, и в десять раз - железа. Поэтому вода является природным охладителем. Ее свойство накапливать большое количество энергии позволяет сглаживать колебания температуры на поверхности Земли и регулировать тепловой режим в рамках всей планеты, причем происходит это независимо от времени года.

Это уникальное свойство воды позволяет использовать ее в качестве охлаждающего вещества в промышленности и в быту. К тому же вода является общедоступным и сравнительно дешевым сырьем.

Что же понимается под теплоемкостью? Как известно из курса термодинамики, передача тепла происходит всегда от горячего к холодному телу. При этом речь идет о переходе определенного количества тепла, а температура обоих тел, являясь характеристикой их состояния, показывает направление этого обмена. В процессе металлического тела с водой равной массы при одинаковых исходных температурах металл меняет свою температуру в несколько раз больше воды.

Если принять за постулат основное утверждение термодинамики - из двух тел (изолированных от прочих), при теплообмене одно отдает, а другое получает равное количество тепла, то становится ясно, что у металла и воды совершенно разная теплоемкость.

Таким образом, теплоемкость воды (как и любого вещества) - это показатель, характеризующий способность данного вещества отдавать (или получать) какое-то при остывании (нагреве) на единицу температуры.

Удельной теплоемкостью вещества считается количество тепла, требуемое для того, чтобы нагреть единицу этого вещества (1 килограмм) на 1 градус.

Количество тепла, выделяемое или поглощаемое телом, равно произведению величин удельной теплоемкости, массы и разности температур. Измеряется оно в калориях. Одна калория - именно то количество тепла, которого достаточно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус. Для сравнения: удельная теплоемкость воздуха - 0.24 кал/г ∙°С, алюминия - 0.22, железа - 0.11, ртути - 0.03.

Теплоемкость воды не является константой. С ростом температуры от 0 до 40 градусов она незначительно снижается (от 1,0074 до 0,9980), тогда как у всех остальных веществ в процессе нагревания эта характеристика растет. Кроме того, она может понижаться с ростом давления (на глубине).

Как известно, вода имеет три агрегатных состояния - жидкое, твердое (лед) и газообразное (пар). При этом удельная теплоемкость льда примерно в 2 раза ниже, чем у воды. В этом - основное отличие воды от других веществ, величины удельной теплоемкости которых в твердом и расплавленном состоянии не меняются. В чем же тут секрет?

Дело в том, что лед имеет кристаллическую структуру, которая при нагревании разрушается не сразу. Вода содержит небольшие частицы льда, состоящие из нескольких молекул и именуемые ассоциатами. При нагревании воды часть расходуется на разрушение водородных связей в этих образованиях. Этим и объясняется необычайно высокая теплоемкость воды. Полностью связи между ее молекулами разрушаются только при переходе воды в пар.

Удельная теплоемкость при температуре 100° С почти не отличается от таковой у льда при 0° С. Это еще раз подтверждает правильность данного объяснения. Теплоемкость пара, как и теплоемкость льда, в настоящее время изучены гораздо лучше, чем воды, в отношении которой ученые до сих пор не пришли к единому мнению.

Каждый школьник сталкивается на уроках физики с таким понятием, как "удельная теплоемкость". В большинстве случаев люди забывают школьное определение, а зачастую и вовсе не понимают значение данного термина. В технических вузах большинство студентов рано или поздно столкнется с удельной теплоемкостью. Возможно, в рамках изучения физики, а может у кого-то будет такая дисциплина как "теплотехника" или "техническая термодинамика". В таком случае придется повспоминать школьную программу. Итак, ниже рассматривается определение, примеры, значения для некоторых веществ.

Определение

Удельная теплоемкость является физической величиной, которая характеризует, сколько тепла необходимо подвести к единице вещества или отвести от единицы вещества, чтобы его температура изменилась на один градус. Важно отменить, что не имеет значения, градус Цельсия, Кельвина и по Фаренгейту, главное - изменение температуры на единицу.

Удельная теплоемкость имеет свою единицу измерения - в международной системе единиц (СИ) - Джоуль, деленный на произведение килограмма и градус Кельвина, Дж/(кг·К); внесистемной единицей является отношение калории к произведению килограмма и градуса Цельсия, кал/(кг·°C). Данная величина чаще всего обозначается буквой с или С, иногда используются индексы. Например, если давление постоянно, то индекс р, а если постоянным является объем, то v.

Вариации определения

Возможны несколько формулировок определения обсуждаемой физической величины. Помимо изложенной выше, приемлемым считается определение, которое гласит, что удельная теплоемкость представляет собой отношение значения теплоемкости вещества к его массе. В этом случае необходимо четко понимать, что такое "теплоемкость". Итак, теплоемкостью называют физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо подвести к телу (веществу) или отвести с целью изменения значения его температуры на единицу. Удельная теплоемкость массы вещества, большей килограмма, определяется аналогично как для единичного значения.

Некоторые примеры и значения для различных веществ

Экспериментально выяснено, что для разных веществ это значение различно. Например, удельная теплоемкость воды составляет 4,187 кДж/(кг·К). Самое большое значение этой физической величины у водорода - 14,300 кДж/(кг·К), самое маленькое - у золота, составляет 0,129 кДж/(кг·К). Если необходимо значение для конкретного вещества, то нужно взять справочник и найти соответствующие таблицы, а в них - интересующие значения. Однако современные технологии позволяют в разы ускорить процесс поиска - достаточно на любом телефоне, который обладает опцией входа во всемирную сеть Интернет, набрать интересующий вопрос в поисковой строке, начать поиск и по результатам искать ответ. В большинстве случаев необходимо перейти по первой ссылке. Однако иногда и вовсе не нужно никуда больше переходить - в кратком описании информации виден ответ на вопрос.

Наиболее распространенные вещества, для которых ищут теплоемкость, в том числе и удельную, это:

• воздух (сухой) - 1,005 кДж/(кг·К),
• алюминий - 0,930 кДж/(кг·К),
• медь - 0,385 кДж/(кг·К),
• этанол - 2,460 кДж/(кг·К),
• железо - 0,444 кДж/(кг·К),
• ртуть - 0,139 кДж/(кг·К),
• кислород - 0,920 кДж/(кг·К),
• древесина - 1,700 кДж/(кг·К),
• песок - 0,835 кДж/(кг·К).

05.04.2019, 01:47

Удельная теплоемкость

Теплоемкость - это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, напри­мер, 1 килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева 200 граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой 400 г, а в другой - растительное масло массой 400 г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать доль­ше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой темпе­ратуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на 1 °С температуру воды массой 1 кг, требуется количество теплоты, равное 4200 Дж, а для нагревания на 1 °С такой же массы подсолнечного масла необхо­димо количество теплоты, равное 1700 Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 °С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой с и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг·K)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/(кг·K) , а удельная теплоемкость льда Дж/(кг·K) ; алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную 920 Дж/(кг·K) , а в жидком - Дж/(кг·K) .

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Удельная теплоемкость твердых веществ

В таблице приведены средние значения удельной теплоемкости веществ в интервале температур от 0 до 10°С(если не указана другая температура)

Вещество	Удельная теплоемкость, кДж/(кг·K)
Азот твердый(при t=-250 °С)	0,46
Бетон (при t=20 °С)	0,88
Бумага (при t=20 °С)	1,50
Воздух твердый (при t=-193 °С)	2,0
Графит	0,75
Дерево дуб	2,40
Дерево сосна, ель	2,70
Каменная соль	0,92
Камень	0,84
Кирпич (при t=0 °С)	0,88

Удельная теплоемкость жидкостей

Вещество	Температура,°C
Бензин (Б-70)	20	2,05
Вода	1-100	4,19
Глицерин	0-100	2,43
Керосин	0-100	2,09
Масло машинное	0-100	1,67
Масло подсолнечное	20	1,76
Мед	20	2,43
Молоко	20	3,94
Нефть	0-100	1,67-2,09
Ртуть	0-300	0,138
Спирт	20	2,47
Эфир	18	3,34

Удельная теплоемкость металлов и сплавов

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Алюминий	0-200	0,92
Вольфрам	0-1600	0,15
Железо	0-100	0,46
Железо	0-500	0,54
Золото	0-500	0,13
Иридий	0-1000	0,15
Магний	0-500	1,10
Медь	0-500	0,40
Никель	0-300	0,50
Олово	0-200	0,23
Платина	0-500	0,14
Свинец	0-300	0,14
Серебро	0-500	0,25
Сталь	50-300	0,50
Цинк	0-300	0,40
Чугун	0-200	0,54

Удельная теплоемкость расплавленных металлов и сжиженных сплавов

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Азот	-200,4	2,01
Алюминий	660-1000	1,09
Водород	-257,4	7,41
Воздух	-193,0	1,97
Гелий	-269,0	4,19
Золото	1065-1300	0,14
Кислород	-200,3	1,63
Натрий	100	1,34
Олово	250	0,25
Свинец	327	0,16
Серебро	960-1300	0,29

Удельная теплоемкость газов и паров

при нормальном атмосферном давлении

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Азот	0-200	1,0
Водород	0-200	14,2
Водяной пар	100-500	2,0
Воздух	0-400	1,0
Гелий	0-600	5,2
Кислород	20-440	0,92
Оксид углерода(II)	26-200	1,0
Оксид углерода(IV)	0-600	1,0
Пары спирта	40-100	1,2
Хлор	13-200	0,50