Kapasiti haba gas ialah jumlah tenaga yang diserap oleh badan apabila ia dipanaskan sebanyak satu darjah. Mari kita analisa ciri utama kuantiti fizik ini.
Definisi
Haba tentu gas ialah unit jisim bahan tertentu. Unit ukurannya ialah J/(kg·K). Jumlah haba yang diserap oleh badan dalam proses mengubah keadaan pengagregatannya dikaitkan bukan sahaja dengan keadaan awal dan akhir, tetapi juga dengan kaedah peralihan.
Jabatan
Kapasiti haba gas dibahagikan dengan nilai yang ditentukan pada isipadu malar (Cv), tekanan malar (Cр).
Dalam kes pemanasan tanpa mengubah tekanan, sebahagian haba dibelanjakan untuk menghasilkan kerja pengembangan gas, dan sebahagian daripada tenaga dibelanjakan untuk meningkatkan tenaga dalaman.
Kapasiti haba gas pada tekanan malar ditentukan oleh jumlah haba yang dibelanjakan untuk meningkatkan tenaga dalaman.
Keadaan gas: ciri, perihalan
Kapasiti haba bagi gas ideal ditentukan dengan mengambil kira fakta bahawa Сp-Сv=R. Kuantiti terakhir dipanggil pemalar gas sejagat. Nilainya sepadan dengan 8.314 J/(mol K).
Apabila menjalankan pengiraan teori kapasiti haba, sebagai contoh, menerangkan hubungan dengan suhu, tidak cukup menggunakan kaedah termodinamik sahaja, adalah penting untuk melengkapkan diri anda dengan unsur fizik statik.
Kapasiti haba gas melibatkan pengiraan nilai purata tenaga bagi gerakan translasi beberapa molekul. Pergerakan sedemikian disimpulkan daripada gerakan putaran dan translasi molekul, serta daripada getaran dalaman atom.
Dalam fizik statik, terdapat maklumat bahawa bagi setiap darjah kebebasan gerakan putaran dan translasi, terdapat kuantiti untuk gas yang sama dengan separuh pemalar gas universal.
Fakta menarik
Sesuatu zarah gas monatomik diandaikan mempunyai tiga darjah kebebasan translasi, jadi haba tentu gas mempunyai tiga darjah kebebasan translasi, dua putaran dan satu getaran. Hukum taburan seragam mereka membawa kepada menyamakan haba tentu pada isipadu tetap kepada R.
Semasa eksperimen, didapati bahawa kapasiti haba gas diatomik sepadan dengan nilai R. Percanggahan antara teori dan amalan ini dijelaskan oleh fakta bahawa kapasiti haba gas ideal dikaitkan dengan kuantum kesan, oleh itu, apabila membuat pengiraan, adalah penting untuk menggunakan statistik berdasarkan kuantummekanik.
Berdasarkan asas mekanik kuantum, sebarang sistem zarah yang berayun atau berputar, termasuk molekul gas, hanya mempunyai beberapa nilai tenaga yang diskret.
Jika tenaga gerakan terma dalam sistem tidak mencukupi untuk merangsang ayunan frekuensi tertentu, gerakan tersebut tidak menyumbang kepada jumlah kapasiti haba sistem.
Akibatnya, tahap kebebasan tertentu menjadi "beku", adalah mustahil untuk menggunakan undang-undang persamaan padanya.
Kapasiti haba gas ialah ciri penting keadaan di mana fungsi keseluruhan sistem termodinamik bergantung.
Suhu di mana hukum kesetaraan boleh digunakan pada darjah kebebasan getaran atau putaran dicirikan oleh teori kuantum, menghubungkan pemalar Planck dengan pemalar Boltzmann.
Gas diatomik
Jurang antara aras tenaga putaran gas tersebut ialah sebilangan kecil darjah. Pengecualian ialah hidrogen, di mana nilai suhu ditentukan oleh ratusan darjah.
Itulah sebabnya kapasiti haba gas pada tekanan malar sukar untuk diterangkan oleh hukum taburan seragam. Dalam statistik kuantum, apabila menentukan kapasiti haba, ia diambil kira bahawa bahagian getarannya, dalam kes penurunan suhu, cepat berkurangan dan mencapai sifar.
Fenomena ini menjelaskan hakikat bahawa pada suhu bilik boleh dikatakan tiada bahagian getaran kapasiti haba, untukgas diatomik, ia sepadan dengan pemalar R.
Kapasiti haba gas pada isipadu malar dalam kes penunjuk suhu rendah ditentukan menggunakan statistik kuantum. Terdapat prinsip Nernst, yang dipanggil undang-undang ketiga termodinamik. Berdasarkan rumusannya, kapasiti haba molar gas akan berkurangan dengan penurunan suhu, cenderung kepada sifar.
Ciri pepejal
Jika kapasiti haba campuran gas boleh dijelaskan menggunakan statistik kuantum, maka untuk keadaan pepejal pengagregatan, gerakan terma dicirikan oleh turun naik sedikit zarah berhampiran kedudukan keseimbangan.
Setiap atom mempunyai tiga darjah kebebasan getaran, oleh itu, mengikut undang-undang kesetaraan, kapasiti haba molar pepejal boleh dikira sebagai 3nR, dengan n ialah bilangan atom dalam molekul.
Dalam amalan, nombor ini ialah had kapasiti haba badan pepejal cenderung pada suhu tinggi.
Maksimum boleh diperoleh pada suhu biasa untuk beberapa unsur, termasuk logam. Untuk n=1, undang-undang Dulong dan Petit dipenuhi, tetapi untuk bahan kompleks agak sukar untuk mencapai had sedemikian. Memandangkan had tidak boleh diperoleh dalam realiti, penguraian atau pencairan pepejal berlaku.
Sejarah teori kuantum
Pengasas teori kuantum ialah Einstein dan Debye pada awal abad kedua puluh. Ia berdasarkan kuantisasi gerakan berayun atom dalam sesuatu tertentukristal. Dalam kes penunjuk suhu rendah, kapasiti haba badan pepejal ternyata berkadar terus dengan nilai mutlak yang diambil kiub. Hubungan ini telah dipanggil undang-undang Debye. Sebagai kriteria yang memungkinkan untuk membezakan antara penunjuk suhu rendah dan tinggi, perbandingannya dengan suhu Debye diambil.
Nilai ini ditentukan oleh spektrum getaran atom dalam badan, oleh itu ia sangat bergantung pada ciri struktur kristalnya.
QD ialah nilai yang mempunyai beberapa ratus K, tetapi, sebagai contoh, ia jauh lebih tinggi dalam berlian.
Elektron pengaliran memberi sumbangan besar kepada kapasiti haba logam. Untuk mengiranya, statistik kuantum Fermi digunakan. Kekonduksian elektronik untuk atom logam adalah berkadar terus dengan suhu mutlak. Oleh kerana ia adalah nilai yang tidak penting, ia diambil kira hanya pada suhu yang cenderung kepada sifar mutlak.
Kaedah untuk menentukan kapasiti haba
Kaedah percubaan utama ialah kalorimetri. Untuk menjalankan pengiraan teori kapasiti haba, termodinamik statistik digunakan. Ia sah untuk gas ideal, dan juga untuk jasad kristal, dijalankan berdasarkan data percubaan pada struktur jirim.
Kaedah empirikal untuk mengira kapasiti haba gas ideal adalah berdasarkan idea struktur kimia, sumbangan kumpulan atom individu kepada Ср.
Untuk cecair, kaedah juga digunakan berdasarkan penggunaan termodinamikkitaran yang memungkinkan untuk berpindah daripada kapasiti haba gas ideal kepada cecair melalui terbitan suhu entalpi proses penyejatan.
Dalam kes larutan, pengiraan kapasiti haba sebagai fungsi aditif tidak dibenarkan, kerana nilai lebihan kapasiti haba larutan pada asasnya adalah ketara.
Untuk menilainya, kita memerlukan teori molekul-statistik penyelesaian. Yang paling sukar ialah mengenal pasti kapasiti haba sistem heterogen dalam analisis termodinamik.
Kesimpulan
Kajian kapasiti haba membolehkan anda mengira keseimbangan tenaga proses yang berlaku dalam reaktor kimia, serta dalam radas pengeluaran kimia lain. Di samping itu, nilai ini diperlukan untuk pemilihan jenis penyejuk yang optimum.
Pada masa ini, penentuan eksperimen kapasiti haba bahan untuk pelbagai selang suhu - daripada nilai rendah kepada nilai tinggi - adalah pilihan utama untuk menentukan ciri termodinamik sesuatu bahan. Apabila mengira entropi dan entalpi sesuatu bahan, kamiran kapasiti haba digunakan. Maklumat tentang kapasiti haba reagen kimia dalam julat suhu tertentu membolehkan anda mengira kesan haba proses tersebut. Maklumat tentang kapasiti haba penyelesaian memungkinkan untuk mengira parameter termodinamik mereka pada sebarang nilai suhu dalam selang yang dianalisis.
Sebagai contoh, cecair dicirikan oleh perbelanjaan sebahagian haba untuk mengubah nilai tenaga keupayaanmolekul bertindak balas. Nilai ini dipanggil kapasiti haba "konfigurasi", digunakan untuk menerangkan penyelesaian.
Sukar untuk menjalankan pengiraan matematik sepenuhnya tanpa mengambil kira ciri termodinamik sesuatu bahan, keadaan pengagregatannya. Itulah sebabnya untuk cecair, gas, pepejal, ciri seperti kapasiti haba tentu digunakan, yang memungkinkan untuk mencirikan parameter tenaga sesuatu bahan.
