La capacidad calorífica de un gas es la cantidad de energía que absorbe un cuerpo cuando se calienta un grado. Analicemos las principales características de esta cantidad física.
Definiciones
El calor específico de un gas es la unidad de masa de una sustancia particular. Sus unidades de medida son J/(kg·K). La cantidad de calor que absorbe el cuerpo en el proceso de cambiar su estado de agregación está asociada no solo con el estado inicial y final, sino también con el método de transición.
Departamento
La capacidad calorífica de los gases se divide por el valor determinado a volumen constante (Cv), presión constante (Cр).
En el caso de calentar sin cambiar la presión, se gasta algo de calor para producir el trabajo de expansión del gas, y parte de la energía se gasta para aumentar la energía interna.
La capacidad calorífica de los gases a presión constante está determinada por la cantidad de calor que se gasta para aumentar la energía interna.
Estado del gas: características, descripción
La capacidad calorífica de un gas ideal se determina teniendo en cuenta el hecho de que Сp-Сv=R. La última cantidad se llama la constante universal de los gases. Su valor corresponde a 8.314 J/(mol K).
Al realizar cálculos teóricos de la capacidad calorífica, por ejemplo, al describir la relación con la temperatura, no es suficiente usar solo métodos termodinámicos, es importante armarse con elementos de física estática.
La capacidad calorífica de los gases implica el cálculo del valor medio de la energía del movimiento de traslación de algunas moléculas. Dicho movimiento se resume en el movimiento de rotación y traslación de la molécula, así como en las vibraciones internas de los átomos.
En física estática, hay información de que por cada grado de libertad de movimiento de rotación y traslación, hay una cantidad para un gas que es igual a la mitad de la constante universal de los gases.
Datos interesantes
Se supone que una partícula de un gas monoatómico tiene tres grados de libertad de traslación, por lo que el calor específico de un gas tiene tres grados de libertad de traslación, dos de rotación y uno de vibración. La ley de su distribución uniforme conduce a igualar el calor específico a volumen constante a R.
Durante los experimentos, se descubrió que la capacidad calorífica de un gas diatómico corresponde al valor R. Tal discrepancia entre la teoría y la práctica se explica por el hecho de que la capacidad calorífica de un gas ideal está asociada con el valor cuántico efectos, por lo tanto, al hacer los cálculos, es importante utilizar estadísticas basadas en cuánticamecánica.
Basado en los fundamentos de la mecánica cuántica, cualquier sistema de partículas que oscile o gire, incluidas las moléculas de gas, tiene solo algunos valores discretos de energía.
Si la energía del movimiento térmico en el sistema no es suficiente para excitar oscilaciones de cierta frecuencia, tales movimientos no contribuyen a la capacidad calorífica total del sistema.
Como resultado, un grado de libertad específico se "congela", es imposible aplicarle la ley de equipartición.
La capacidad calorífica de los gases es una característica importante del estado del que depende el funcionamiento de todo el sistema termodinámico.
La temperatura a la que se puede aplicar la ley de equipartición al grado de libertad vibratorio o rotacional se caracteriza por la teoría cuántica, conecta la constante de Planck con la constante de Boltzmann.
Gases diatómicos
Las brechas entre los niveles de energía de rotación de tales gases son una pequeña cantidad de grados. La excepción es el hidrógeno, en el que el valor de la temperatura está determinado por cientos de grados.
Es por eso que la capacidad calorífica de un gas a presión constante es difícil de describir mediante la ley de distribución uniforme. En estadística cuántica, al determinar la capacidad calorífica, se tiene en cuenta que su parte vibratoria, en el caso de una disminución de la temperatura, disminuye rápidamente y llega a cero.
Este fenómeno explica el hecho de que a temperatura ambiente prácticamente no haya parte vibratoria de la capacidad calorífica, porgas diatómico, corresponde a la constante R.
La capacidad calorífica de un gas a volumen constante en el caso de indicadores de baja temperatura se determina utilizando estadísticas cuánticas. Existe el principio de Nernst, que se llama la tercera ley de la termodinámica. Según su formulación, la capacidad calorífica molar de un gas disminuirá al disminuir la temperatura, tendiendo a cero.
Características de los sólidos
Si la capacidad calorífica de una mezcla de gases se puede explicar usando estadísticas cuánticas, entonces para un estado sólido de agregación, el movimiento térmico se caracteriza por ligeras fluctuaciones de partículas cerca de la posición de equilibrio.
Cada átomo tiene tres grados de libertad vibratorios, por lo tanto, de acuerdo con la ley de equipartición, la capacidad calorífica molar de un sólido se puede calcular como 3nR, siendo n el número de átomos en una molécula.
En la práctica, este número es el límite al que tiende la capacidad calorífica de un cuerpo sólido a altas temperaturas.
El máximo se puede obtener a temperaturas ordinarias para algunos elementos, incluidos los metales. Para n=1, se cumple la ley de Dulong y Petit, pero para sustancias complejas es bastante difícil alcanzar dicho límite. Dado que el límite no se puede obtener en la realidad, se produce la descomposición o fusión del sólido.
Historia de la teoría cuántica
Los fundadores de la teoría cuántica son Einstein y Debye a principios del siglo XX. Se basa en la cuantización de los movimientos oscilatorios de los átomos en un determinadocristal. En el caso de indicadores de baja temperatura, la capacidad calorífica de un cuerpo sólido resulta ser directamente proporcional al valor absoluto tomado al cubo. Esta relación se ha denominado ley de Debye. Como criterio que permite distinguir entre indicadores de baja y alta temperatura, se toma su comparación con la temperatura de Debye.
Este valor está determinado por el espectro de vibraciones de un átomo en el cuerpo, por lo que depende seriamente de las características de su estructura cristalina.
QD es un valor que tiene varios cientos de K, pero, por ejemplo, es mucho más alto en diamante.
Los electrones de conducción contribuyen significativamente a la capacidad calorífica de los metales. Para su cálculo se utilizan las estadísticas cuánticas de Fermi. La conductividad electrónica de los átomos de metal es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Dado que es un valor insignificante, sólo se tiene en cuenta a temperaturas que tienden al cero absoluto.
Métodos para determinar la capacidad calorífica
El principal método experimental es la calorimetría. Para realizar un cálculo teórico de la capacidad calorífica se utiliza la termodinámica estadística. Es válido para un gas ideal, así como para cuerpos cristalinos, se lleva a cabo sobre la base de datos experimentales sobre la estructura de la materia.
Los métodos empíricos para calcular la capacidad calorífica de un gas ideal se basan en la idea de la estructura química, la contribución de grupos individuales de átomos a Ср.
Para líquidos también se utilizan métodos que se basan en el uso de la termodinámicaciclos que permiten pasar de la capacidad calorífica de un gas ideal a la de un líquido mediante la derivada de la temperatura de la entalpía del proceso de evaporación.
En el caso de una solución, no se permite el cálculo de la capacidad calorífica como función aditiva, ya que el exceso de valor de la capacidad calorífica de la solución es básicamente significativo.
Para evaluarlo, necesitamos la teoría de las soluciones de estadística molecular. La más difícil es la identificación de la capacidad calorífica de sistemas heterogéneos en el análisis termodinámico.
Conclusión
El estudio de la capacidad calorífica le permite calcular el balance energético de los procesos que ocurren en los reactores químicos, así como en otros aparatos de producción química. Además, este valor es necesario para la selección de tipos óptimos de refrigerantes.
En la actualidad, la determinación experimental de la capacidad calorífica de las sustancias para varios intervalos de temperatura, desde valores bajos hasta valores altos, es la principal opción para determinar las características termodinámicas de una sustancia. Al calcular la entropía y la entalpía de una sustancia, se utilizan integrales de capacidad calorífica. La información sobre la capacidad calorífica de los reactivos químicos en un determinado rango de temperatura le permite calcular el efecto térmico del proceso. La información sobre la capacidad calorífica de las soluciones permite calcular sus parámetros termodinámicos a cualquier valor de temperatura dentro del intervalo analizado.
Por ejemplo, un líquido se caracteriza por el gasto de parte del calor para cambiar el valor de la energía potencialmoléculas que reaccionan. Este valor se denomina capacidad calorífica de "configuración", y se utiliza para describir soluciones.
Es difícil realizar cálculos matemáticos completos sin tener en cuenta las características termodinámicas de una sustancia, su estado de agregación. Es por eso que para líquidos, gases, sólidos, se utiliza una característica como la capacidad calorífica específica, que permite caracterizar los parámetros energéticos de una sustancia.
