3.10. Теплоёмкость идеального газа

Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются. Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c. 

c = Q / (mΔT).

Во многих случаях удобно использовать молярную теплоемкость C: 

C = M · c,

где M – молярная масса вещества.

Определенная таким образом теплоемкость не является однозначной характеристикой вещества. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии тела зависит не только от полученного количества теплоты, но и от работы, совершенной телом. В зависимости от условий, при которых осуществлялся процесс теплопередачи, тело могло совершать различную работу. Поэтому одинаковое количество теплоты, переданное телу, могло вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры.

Такая неоднозначность определения теплоемкости характерна только для газообразного вещества. При нагревании жидких и твердых тел их объем практически не изменяется, и работа расширения оказывается равной нулю. Поэтому все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение его внутренней энергии. В отличие от жидкостей и твердых тел, газ в процессе теплопередачи может сильно изменять свой объем и совершать работу. Поэтому теплоемкость газообразного вещества зависит от характера термодинамического процесса. Обычно рассматриваются два значения теплоемкости газов: C_V – молярная теплоемкость в изохорном процессе (V = const) и C_p – молярная теплоемкость в изобарном процессе (p = const).

В процессе при постоянном объеме газ работы не совершает: A = 0. Из первого закона термодинамики для 1 моля газа следует 

QV = CV ΔT = ΔU.

Изменение ΔU внутренней энергии газа прямо пропорционально изменению ΔT его температуры.

Для процесса при постоянном давлении первый закон термодинамики дает: 

Qp = ΔU + p (V2 – V1) = CV ΔT + pΔV,

где ΔV – изменение объема 1 моля идеального газа при изменении его температуры на ΔT. Отсюда следует: 

Отношение ΔV / ΔT может быть найдено из уравнения состояния идеального газа, записанного для 1 моля: 

pV = RT,

где R – универсальная газовая постоянная. При p = const

или

Таким образом, соотношение, выражающее связь между молярными теплоемкостями C_p и C_V, имеет вид (формула Майера): 

Cp = CV + R.

Молярная теплоемкость C_p газа в процессе с постоянным давлением всегда больше молярной теплоемкости C_V в процессе с постоянным объемом (рис. 3.10.1).

Рисунок 3.10.1. Два возможных процесса нагревания газа наΔT = T2 – T1. При p = const газ совершает работу A = p1(V2 – V1). Поэтому Cp > CV

Отношение теплоемкостей в процессах с постоянным давлением и постоянным объемом играет важную роль в термодинамике. Оно обозначается греческой буквой γ. 

В частности, это отношение входит в формулу для адиабатического процесса (см. §3.9).

Между двумя изотермами с температурами T₁ и T₂ на диаграмме (p, V) возможны различные пути перехода. Поскольку для всех таких переходов изменение температуры ΔT = T₂ – T₁ одинаково, следовательно, одинаково изменение ΔUвнутренней энергии. Однако, совершенные при этом работы A и полученные в результате теплообмена количества теплоты Q окажутся различными для разных путей перехода. Отсюда следует, что у газа имеется бесчисленное количество теплоемкостей. C_p и C_V – это лишь частные (и очень важные для теории газов) значения теплоемкостей.

Билет 30

1 Волны - изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречающиеся виды волн - упругие волны, волны на поверхности жидкости и электромагнитные волны. Частными случаями упругих волн являются звуковые и сейсмические волны, а электромагнитных - радиоволны, свет, рентгеновские и другие излучения.  Скорость распространения волны нельзя связывать со скоростью движения материальных частиц среды, в которой распространяется волна. Скорость волны представляет собой скорость распространения в пространстве определённой фазы колебаний. Поэтому скорость волны принято называть фазовой скоростью. Скорость волны определяется главным образом упругими свойствами среды, в которой она распространяется. От упругих свойств среды зависит и вид волны. Наиболее распространёнными являются предельные и поперечные волны.  ^ Поперечная волна - волна, направление распространения которой ортогонально траекториям колеблющихся точек среды. Поперечные волны возникают в средах, в которых при сдвиге какого-либо слоя возникают упругие силы (по закону Гука). Такими свойствами обладают в основном твёрдые тела. ^ Продольная волна - волна, направление распространения которой коллинеарно траекториям колеблющихся точек среды. Продольные волны наблюдаются в тех средах, где возникают упругие силы при сжатии или растяжении: это жидкости или газы. Продольные волны могут возникать и в твёрдых телах . Длина волны – λ, период – Т, частота – ν. Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в том, что в волах осуществляется перенос энергии без переноса вещества. Перенос вещества может иметь место как побочное явление Бегущая волна (волна) - распространение возмущения в среде с некоторой определённой скоростью. Величину, служащую мерой состояния среды (перемещение, напряжение, деформацию и т.д.) в случае постоянной скорости волны можно представить в виде функции где q – пространственная координата, вдоль которой происходит распространение волны, t – время, c – постоянная скорость распространения волны.

 Плоская волна - волна, фронт которой представляет собой плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны.

 Волновое уравнение. Уравнение любой волны является решением дифференциального уравнения,  которое называется:  или  где - оператор Лапласа.  Для гармонических волн справедливо  Отсюда: - фазовая скорость. Фазовая скорость - скорость распространения поверхности равной фазы для монохроматического излучения. Монохроматическим называется излучение, которое с достаточным приближением может быть охарактеризовано одним значением частоты (длины волны, волнового числа). Введём величину волновое число, которое является модулем волнового вектора. Волновой вектор - вектор, направление которого совпадает с направлением распространения бегущей волны. В изотропных средах вдоль волнового вектора направлены групповая скорость и плотность потока энергии. Групповая скорость - скорость распространения характерной точки на огибающей группы волн, близких по частоте. Физический смысл - групповая скорость совпадает со скоростью переноса энергии излучения группой волн.  ;   Здесь: λ – длинна волны, – фазовая скорость, которая зависит от частоты.

2 в тетради у меня.