Теплоемкость - это термин в физике, который описывает, сколько тепла необходимо добавить к веществу, чтобы повысить его температуру на 1 градус Цельсия. Это связано с удельной теплоемкостью, которая отличается от удельной теплоты, которая представляет собой количество тепла, необходимое для поднятия ровно 1 грамма (или некоторой другой фиксированной единицы массы) вещества на 1 градус Цельсия. Чтобы определить теплоемкость вещества C из его удельной теплоты S, нужно умножить его на количество присутствующего вещества и убедиться, что вы используете одни и те же единицы массы в течение всей проблемы. Тепловая мощность, попросту говоря, является показателем способности объекта противостоять нагреванию от добавления тепловой энергии.

Материя может существовать в виде твердого вещества, жидкости или газа. В случае газов теплоемкость может зависеть как от давления окружающей среды, так и от температуры окружающей среды. Ученые часто хотят знать теплоемкость газа при постоянном давлении, в то время как другие переменные, такие как температура, могут изменяться; это известно как Cp. Точно так же может быть полезно определить теплоемкость газа при постоянном объеме, или Cv. Отношение Cp к Cv дает важную информацию о термодинамических свойствах газа.

Наука термодинамики

Прежде чем приступить к обсуждению теплоемкости и удельной теплоемкости, полезно сначала понять основы теплообмена в физике и концепцию теплообмена в целом, а также ознакомиться с некоторыми фундаментальными уравнениями дисциплины.

Термодинамика - это раздел физики, касающийся работы и энергии системы. Работа, энергия и тепло имеют одинаковые единицы в физике, несмотря на то, что они имеют разные значения и области применения. СИ (стандартная международная) единица измерения тепла - джоуль. Работа определяется как сила, умноженная на расстояние, поэтому, с учетом единиц СИ для каждой из этих величин, джоуль - это то же самое, что и ньютон-метр. Другие единицы, с которыми вы, вероятно, столкнетесь за тепло, включают калории (кал), британские термические единицы (бТЕ) и эрг. (Обратите внимание, что «калории», которые вы видите на этикетках пищевых продуктов, на самом деле являются килокалориями, а «килограмм» - это греческий префикс, обозначающий «тысячу»; таким образом, когда вы наблюдаете, что, скажем, банка с газировкой на 12 унций включает в себя 120 » калорий, "это на самом деле равно 120000 калорий в формальном физическом выражении.)

Газы ведут себя иначе, чем жидкости и твердые вещества. Поэтому физики в мире аэродинамики и смежных дисциплин, которые, естественно, очень обеспокоены поведением воздуха и других газов при работе с высокоскоростными двигателями и летательными аппаратами, испытывают особую озабоченность по поводу теплоемкости и других количественных физических параметров, связанных с иметь значение в этом состоянии. Одним из примеров является энтальпия, которая является мерой внутренней теплоты замкнутой системы. Это сумма энергии системы плюс произведение ее давления и объема:

H = E + PV

Более конкретно, изменение энтальпии связано с изменением объема газа соотношением:

∆H = E + P∆V

Греческий символ Δ, или дельта, означает «изменение» или «разница» по соглашению в физике и математике. Кроме того, вы можете проверить, что объем времени давления дает единицы работы; давление измеряется в ньютонах / м2, а объем может быть выражен в м3.

Кроме того, давление и объем газа связаны уравнением:

P∆V = R∆T

где T - температура, а R - постоянная, которая имеет разные значения для каждого газа.

Вам не нужно фиксировать эти уравнения в памяти, но они будут рассмотрены позже в обсуждении Cp и Cv.

Что такое теплоемкость?

Как уже отмечалось, теплоемкость и удельная теплоемкость являются взаимосвязанными величинами. Первое на самом деле возникает из второго. Удельная теплоемкость - это переменная состояния, то есть она относится только к внутренним свойствам вещества, а не к тому, сколько его присутствует. Поэтому он выражается в виде тепла на единицу массы. Теплоемкость, с другой стороны, зависит от того, какая часть вещества подвергается теплопередаче, и она не является переменной состояния.

Вся материя имеет температуру, связанную с ней. Возможно, это не первое, что приходит на ум, когда вы замечаете какой-либо объект («Интересно, насколько теплая эта книга?»), Но в процессе вы, возможно, узнали, что ученым никогда не удавалось достичь температуры абсолютного нуля. при любых условиях, хотя они были мучительно близки. (Причина, по которой люди стремятся сделать это, связана с чрезвычайно высокими свойствами проводимости чрезвычайно холодных материалов; просто подумайте о значении физического проводника электричества, практически не имеющего сопротивления.) Температура - это мера движения молекул , В твердых материалах вещество расположено в решетке или сетке, и молекулы не могут свободно перемещаться. В жидкости молекулы более свободно двигаются, но они все еще в значительной степени ограничены. В газе молекулы могут двигаться очень свободно. В любом случае, просто помните, что низкая температура подразумевает небольшое молекулярное движение.

Если вы хотите переместить объект, в том числе себя, из одного физического места в другое, вы должны расходовать энергию - или, наоборот, выполнять работу - для этого. Вы должны встать и пройтись по комнате, или вы должны нажать на педаль акселератора автомобиля, чтобы пропустить топливо через двигатель и заставить автомобиль двигаться. Точно так же на микроуровне требуется ввод энергии в систему, чтобы заставить ее молекулы двигаться. Если этот подвод энергии достаточен для увеличения молекулярного движения, то, исходя из вышеприведенного обсуждения, это обязательно означает, что температура вещества также увеличивается.

Различные распространенные вещества имеют сильно различающиеся значения удельной теплоемкости. Например, среди металлов золото регистрируется при 0,129 Дж / г ° C, а это означает, что 0,19 Дж тепла достаточно для повышения температуры на 1 грамм золота на 1 градус Цельсия. Помните, что это значение не изменяется в зависимости от количества присутствующего золота, потому что масса уже учтена в знаменателе удельных тепловых единиц. Это не относится к теплоемкости, как вы скоро обнаружите.

Тепловая мощность: простые расчеты

Многих студентов вводной физики удивляет, что удельная теплоемкость воды, 4,179, значительно выше, чем у обычных металлов. (В этой статье все значения удельной теплоемкости даны в Дж / г ° C.) Кроме того, теплоемкость льда, равная 2,03, составляет менее половины теплоемкости воды, даже если обе они состоят из H2O. Это показывает, что состояние соединения, а не только его молекулярная структура, влияет на величину его удельной теплоемкости.

В любом случае, скажем, вас просят определить, сколько тепла требуется для повышения температуры 150 г железа (у которого удельная теплоемкость, или S, до 0,450) на 5 С. Как бы вы поступили по этому поводу?

Расчет очень прост; умножьте удельную теплоемкость S на количество материала и изменение температуры. Поскольку S = 0,450 Дж / г ° C, количество тепла, которое необходимо добавить в J, составляет (0,450) (г) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 Дж. Еще один способ выразить это означает, что теплоемкость 150 г железа составляет 67,5 Дж, что является ничем иным, как удельной теплоемкостью S, умноженной на массу присутствующего вещества. Очевидно, что даже несмотря на то, что теплоемкость жидкой воды постоянна при заданной температуре, нагревание одного из Великих озер потребует гораздо больше тепла даже на одну десятую градуса, чем нагревание пинты воды на 1 градус или 10 или даже 50.

Что такое отношение Cp к Cv?

В предыдущем разделе вы познакомились с идеей условных теплоемкостей для газов, то есть значений теплоемкости, которые применяются к данному веществу в условиях, когда либо температура (T), либо давление (P) поддерживаются постоянными. на протяжении всей проблемы. Вам также были даны основные уравнения ∆H = E + P∆V и P∆V = R∆T.

Из последних двух уравнений видно, что другой способ выразить изменение энтальпии ∆H:

E + R∆T

Хотя здесь не дается никакого вывода, один из способов выразить первый закон термодинамики, который применяется к закрытым системам и который вы, возможно, слышали в разговорной речи как «Энергия не создается и не разрушается», это:

∆E = Cv∆T

Говоря простым языком, это означает, что когда определенное количество энергии добавляется в систему, включающую газ, и объем этого газа не может изменяться (на что указывает индекс V в Cv), его температура должна расти прямо пропорционально к значению теплоемкости этого газа.

Между этими переменными существует другое соотношение, которое позволяет получить теплоемкость при постоянном давлении, Cp, а не при постоянном объеме. Это отношение является еще одним способом описания энтальпии:

∆H = Cp∆T

Если вы искусны в алгебре, вы можете прийти к критическим отношениям между Cv и Cp:

Cp = Cv + R

То есть теплоемкость газа при постоянном давлении превышает его теплоемкость при постоянном объеме на некоторую постоянную R, которая связана с конкретными свойствами исследуемого газа. Это имеет интуитивный смысл; если вы представите, что газу позволяют расширяться в ответ на увеличение внутреннего давления, вы, вероятно, можете почувствовать, что ему придется меньше нагреваться в ответ на данное добавление энергии, чем если бы он был ограничен одним пространством.

Наконец, вы можете использовать всю эту информацию для определения другой специфической для вещества переменной, γ, которая представляет собой отношение Cp к Cv или Cp / Cv. Из предыдущего уравнения видно, что это отношение увеличивается для газов с более высокими значениями R.

Cp и Cv Air

Cp и Cv воздуха важны для изучения динамики жидкости, потому что воздух (состоящий из смеси в основном азота и кислорода) является наиболее распространенным газом, который испытывает человек. Как Cp, так и Cv зависят от температуры и не совсем одинаково; как это происходит, Cv повышается немного быстрее с ростом температуры. Это означает, что «постоянная» γ на самом деле не постоянна, но она удивительно близка в диапазоне вероятных температур. Например, при 300 градусах Кельвина или К (равном 27 ° С) значение γ составляет 1,400; при температуре 400 K, которая составляет 127 C и значительно выше точки кипения воды, значение γ составляет 1,395.