- •Г.О.Сіренко, о.В.Кузишин, Базюк л.В.
- •Затверджено
- •Базюк Лілія Володимирівна
- •Лекція 4
- •4.1. Теплоємність. Означення
- •4.1.1. Методи обчислення кількости тепла
- •1) Внутрішньої енергії
- •2) Ентальпії
- •3) Ентропії
- •4.1.2. Загальне означення теплоємности. Істинна і питома теплоємности
- •4.1.3. Обчислення кількости тепла за істинною і середньою теплоємностями
- •1− Лінійна залежність; 2− нелінійна залежність
- •4.2. Ізобарна та ізохорна теплоємности. Рівняння Майєра
- •4.2.1. Зв’язок ізобарної та ізохорної теплоємностей
- •4.2.1.1. Рівняння Майєра для ідеального ґазу
- •1. Ізохорна та ізобарна теплоємности
- •2. Зв’язок між ізобарною та ізохорною теплоємностями
- •4.2.1.2. Рівняння Майєра для неідеального ґазу
- •4.3.Теорії теплоємностей твердих тіл
- •4.3.1. Молекулярно-кінетична теорія. Закон Дюлонґа і Пті
- •4.3.2. Квантова теорія Дебая
4.2.1.2. Рівняння Майєра для неідеального ґазу
Для неідеального ґазу
u = f (T,v); (4.42)
h = (T,p); (4.43)
C = (x,T,N,p,v, властивостей ґазу). (4.44)
Для даного процесу х і даного ґазу (N):
(V
або р),
(4.45)
де ск – кінетична частина теплоємности, яка пов’язана зі зміною температури (частина теплоємности, що відноситься до ідеального ґазу);
сn – потенціальна частина теплоємности, яка пов’язана зі зміною об’єму або тиску.
1. Повний диференціял внутрішньої енергії:
.
(4.46)
Перша форма запису першого начала термодинаміки:
δqx
= du + pdv =
.
(4.47)
Теплоємність в процесі х:
. (4.48)
При v=const (dV=0) рівняння (4.48) набуде вигляду:
.
(4.49)
При р=const рівняння (4.48) набуде вигляду:
.
(4.50)
Виходячи з того, що
,
а при р = const
, (4.51)
вираз (4.50) набуде вигляду рівняння Майєра для неідеального ґазу:
(4.52)
де останній член є потенціяльна частина внутрішньої енергії неідеального ґазу. Фактично отримано нерівність Майєра для неідеального ґазу:
(4.53)
За нерівністю (4.53), означенням і фізичним смислом теплоємностей ср і сV та фізичним смислом питомої ґазової сталої R можна дати означення фізичного смислу нерівности Майєра для неідеального ґазу та дати відповідь на питання: «Чому ср >> сV на величину R для неідеального ґазу та ср >>>сV для реального ґазу?»
4.3.Теорії теплоємностей твердих тіл
4.3.1. Молекулярно-кінетична теорія. Закон Дюлонґа і Пті
За класичною молекулярно-кінетичною теорією розрахунки теплоємности ґрунтуються на законі рівномірного розподілу енергії за ступенями вільностей коливань атомів у вузлах ґратки ідеального кристалу елементу.
К
ристалу,
що складається з N атомів, приписують
3N
коливальних
ступенів вільностей атомів вузлів
кристалічної ґратки, на кожну з яких
припадає енергія kТ, де k – константа
Больцмана.
Всього атом кристалу елементу має z=3 коливальних ступенів вільностей і атомність його N=1, тоді z·N=3 коливальних ступенів вільностей. Звідки
d Uμ = 3·NA·kdT, (4.54)
т оді (за новими даними NA i k):
З іншого боку dUμ=3RμdT. Експериментально, а потім методами молекулярно-кінетичної теорії доведено, що при середніх і високих температурах (вище кімнатних) масова теплоємність твердого тіла дорівнює приблизно:
CV=3R≈const (4.55)
Відповідно мольна теплоємність буде дорівнювати
μСv = μ3R, звідки
CμV =3Rμ=
3·8,3144±0,0026≈24,9432±0,0078≈25
.
(4.56)
На відміну від хемічних сполук, хемічні елементи у твердій фазі знаходяться в атомарному стані, навіть у тих випадках, коли в ґазовій фазі атоми даного елементу утворюють молекулу, наприклад Н2, N2, тому при розрахунках CμV величину Rμ необхідно ділити не на молекулярну, а на атомну масу. На кожну ступінь вільностей коливального руху (потенціальної та коливальної частин) атомів кристалу елемента у ізохорній мольній теплоємности припадає величина, яка чисельно дорівнює універсальній газовій сталій Rμ.
Закон Дюлонґа і Пті (1819р.): при кімнатних температурах для елементів з атомною масою, що більша за атомну масу калію, добуток теплоємности на атомну масу є величина стала.
Зауваги до означених співвідношень:
у дійсности CμV(Т)=const це є лише границя, до якої прагне теплоємність речовини
;
(4.57)
ці значення теплоємностей кристалів елементів добре узгоджуються з експериментальними даними для багатьох твердих тіл від кімнатних до достатньо високих температур, але закон носить наближений характер;
закон Дюлонґа і Пті виконується для деяких речовин з атомністю
N = 1, 2, 3, наприклад:
N = 1 Me
N = 2 NaCl
N = 3 PbCl2;
закон Дюлонґа і Пті не працює для твердих тіл, в яких відбуваються фазові перетворення: перехід з однієї кристалічної модифікації в іншу, з феромаґнетика у парамаґнетик, із напівпровідника у звичайний провідник тощо. У точках фазових переходів теплоємність і коефіцієнт термічного розширення проходять через гострий максимум;
для деяких простих речовин (елементів, наприклад для алмазу і бору) і складних речовин спостерігається значне відхилення від закону Дюлонґа і Пті при кімнатних і високих температурах (CμV≈7,33 та 11,73 Дж/(моль·К) для алмазу та бору відповідно);
закон не враховує залежність теплоємности від температури;
при низьких температурах теплоємности твердих тіл мають значно менші значення, ніж 25 Дж/(моль·К), а при Т→ 0К закон Дюлонґа і Пті перестає працювати, особливо при Т≤θ , де θ − характеристична температура Дебая:
,
(4.58)
де νmax − максимально можлива частота власних коливань атомів (йонів) твердого тіла.
Відхилення від закону тим суттєві, чим ближче Т до Т0 = 0К. Характеристичні температури Дебая θ [K] для більшости елементів лежать в межах 100−400К (для Ве θ = 1160К, для алмазу θ = 1860 (1850)К, а для молекулярних кристалів θ ≈ 10К − це аномально низькі величини).
закон Дюлонґа і Пті не враховує електронну теплоємність, що пов'язана з рухом вільних електронів, так що сумарна теплоємність твердих тіл складається із коливальної та електронної складових:
С = СК (Т3) + Се (Т). (4.59)
