NộI Dung
- Khoa học Nhiệt động lực học
- Nhiệt dung là gì?
- Nhiệt dung: Tính toán đơn giản
- Tỷ lệ Cp đến Cv là gì?
- Cp và Cv của không khí
Nhiệt dung là một thuật ngữ trong vật lý mô tả lượng nhiệt phải được thêm vào một chất để tăng nhiệt độ của nó thêm 1 độ C. Điều này có liên quan đến, nhưng khác với, nhiệt dung riêng, là lượng nhiệt cần thiết để tăng chính xác 1 gram (hoặc một số đơn vị khối lượng cố định khác) của một chất lên 1 độ C. Lấy một chất có nhiệt dung C từ nhiệt dung riêng của nó là một vấn đề nhân với lượng chất có mặt và đảm bảo bạn đang sử dụng cùng một đơn vị khối lượng trong suốt bài toán. Nói chung, công suất nhiệt là một chỉ số về khả năng chống lại sự nóng lên của vật thể bằng cách bổ sung năng lượng nhiệt.
Vật chất có thể tồn tại dưới dạng chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí. Trong trường hợp khí, công suất nhiệt có thể phụ thuộc vào cả áp suất xung quanh và nhiệt độ môi trường. Các nhà khoa học thường muốn biết khả năng nhiệt của khí ở áp suất không đổi, trong khi các biến khác như nhiệt độ được phép thay đổi; cái này được gọi là Cp. Tương tự, có thể hữu ích để xác định công suất nhiệt khí ở một thể tích không đổi, hoặc Cv. Tỷ lệ của Cp đến Cv cung cấp thông tin quan trọng về các đặc tính nhiệt động của khí.
Khoa học Nhiệt động lực học
Trước khi bắt đầu thảo luận về công suất nhiệt và nhiệt dung riêng, trước tiên, bạn nên hiểu những điều cơ bản về truyền nhiệt trong vật lý và khái niệm nhiệt nói chung và làm quen với một số phương trình cơ bản của môn học.
Nhiệt động lực học là nhánh của vật lý xử lý công việc và năng lượng của một hệ thống. Công việc, năng lượng và nhiệt đều có cùng một đơn vị trong vật lý mặc dù có ý nghĩa và ứng dụng khác nhau. Đơn vị nhiệt SI (tiêu chuẩn quốc tế) là joule. Công việc được định nghĩa là lực nhân với khoảng cách, do đó, để mắt đến các đơn vị SI cho mỗi đại lượng này, một joule giống như một máy đo newton. Các đơn vị khác mà bạn có khả năng gặp phải đối với nhiệt bao gồm calorie (cal), đơn vị nhiệt Anh (btu) và erg.(Lưu ý rằng "lượng calo" bạn thấy trên nhãn dinh dưỡng thực phẩm là kilocalories, "kilo-" là tiền tố Hy Lạp biểu thị "một nghìn"; do đó, khi bạn quan sát thấy, một lon soda 12 ounce bao gồm 120 " calo, "điều này thực sự tương đương với 120.000 calo về mặt vật lý chính thức.)
Khí hoạt động khác với chất lỏng và chất rắn. Do đó, các nhà vật lý trong thế giới khí động học và các ngành liên quan, những người rất tự nhiên quan tâm đến hành vi của không khí và các loại khí khác trong công việc của họ với động cơ tốc độ cao và máy bay, có mối quan tâm đặc biệt về công suất nhiệt và các thông số vật lý định lượng khác có liên quan vấn đề trong trạng thái này. Một ví dụ là entanpy, đó là thước đo nhiệt bên trong của một hệ kín. Nó là tổng năng lượng của hệ thống cộng với tích của áp suất và thể tích của nó:
H = E + PV
Cụ thể hơn, sự thay đổi entanpy có liên quan đến sự thay đổi thể tích khí theo mối quan hệ:
∆H = E + P∆V
Biểu tượng Hy Lạp, hoặc delta, có nghĩa là "thay đổi" hoặc "khác biệt" theo quy ước trong vật lý và toán học. Ngoài ra, bạn có thể xác minh rằng khối lượng thời gian áp lực mang lại cho các đơn vị công việc; áp suất được đo bằng newtons / m2, trong khi âm lượng có thể được biểu thị bằng m3.
Ngoài ra, áp suất và thể tích của một chất khí có liên quan theo phương trình:
P∆V = R∆T
Trong đó T là nhiệt độ và R là hằng số có giá trị khác nhau đối với mỗi khí.
Bạn không cần phải cam kết các phương trình này vào bộ nhớ, nhưng chúng sẽ được xem xét lại trong cuộc thảo luận sau về Cp và Cv.
Nhiệt dung là gì?
Như đã lưu ý, công suất nhiệt và nhiệt dung riêng là các đại lượng liên quan. Cái đầu tiên thực sự phát sinh từ cái thứ hai. Nhiệt dung riêng là một biến trạng thái, có nghĩa là nó chỉ liên quan đến các tính chất bên trong của một chất chứ không liên quan đến lượng của nó. Do đó, nó được biểu thị dưới dạng nhiệt trên một đơn vị khối lượng. Mặt khác, công suất nhiệt phụ thuộc vào mức độ của chất được đề cập đang trải qua quá trình truyền nhiệt và nó không phải là một biến trạng thái.
Tất cả các vấn đề có nhiệt độ liên quan đến nó. Đây có thể không phải là điều đầu tiên bạn nghĩ đến khi bạn chú ý đến một vật thể ("Tôi tự hỏi cuốn sách đó ấm đến mức nào?"), Nhưng trên đường đi, bạn có thể đã học được rằng các nhà khoa học chưa bao giờ đạt được nhiệt độ bằng không tuyệt đối trong bất kỳ điều kiện nào, mặc dù chúng đã đến rất gần. (Lý do mà mọi người nhắm đến để làm một việc như vậy phải làm với tính chất dẫn điện cực cao của vật liệu cực lạnh; chỉ cần nghĩ về giá trị của một vật dẫn điện vật lý gần như không có điện trở.) Nhiệt độ là thước đo chuyển động của các phân tử . Trong vật liệu rắn, vật chất được sắp xếp theo mạng tinh thể hoặc lưới và các phân tử không được tự do di chuyển. Trong một chất lỏng, các phân tử có thể tự do di chuyển hơn, nhưng chúng vẫn bị hạn chế ở một mức độ lớn. Trong một chất khí, các phân tử có thể di chuyển rất tự do. Trong mọi trường hợp, chỉ cần nhớ rằng nhiệt độ thấp ngụ ý ít chuyển động phân tử.
Khi bạn muốn di chuyển một vật thể, bao gồm cả bản thân bạn, từ vị trí vật lý này sang vị trí vật lý khác, bạn phải tiêu tốn năng lượng - hoặc cách khác, làm việc - để làm như vậy. Bạn phải đứng dậy và đi ngang qua một căn phòng, hoặc bạn phải nhấn bàn đạp ga của một chiếc ô tô để buộc nhiên liệu qua động cơ của nó và buộc chiếc xe phải di chuyển. Tương tự, ở cấp độ vi mô, một đầu vào năng lượng vào một hệ thống được yêu cầu để làm cho các phân tử của nó di chuyển. Nếu đầu vào năng lượng này đủ để gây ra sự gia tăng chuyển động phân tử, thì dựa trên thảo luận ở trên, điều này nhất thiết ngụ ý rằng nhiệt độ của chất cũng tăng theo.
Các chất phổ biến khác nhau có giá trị khác nhau của nhiệt dung riêng. Ví dụ, trong số các kim loại, vàng kiểm tra ở 0.129 J / g ° C, có nghĩa là 0.129 joules nhiệt là đủ để tăng nhiệt độ 1 gram vàng lên 1 độ C. Hãy nhớ rằng, giá trị này không thay đổi dựa trên lượng vàng hiện tại, vì khối lượng đã được tính vào mẫu số của các đơn vị nhiệt cụ thể. Đó không phải là trường hợp cho khả năng nhiệt, vì bạn sẽ sớm khám phá.
Nhiệt dung: Tính toán đơn giản
Điều làm ngạc nhiên nhiều sinh viên vật lý nhập môn là nhiệt dung riêng của nước, 4.179, cao hơn đáng kể so với kim loại thông thường. (Trong bài viết này, tất cả các giá trị của nhiệt dung riêng được đưa ra trong J / g ° C.) Ngoài ra, công suất nhiệt của nước đá, 2.03, nhỏ hơn một nửa so với nước, mặc dù cả hai đều bao gồm H2O. Điều này cho thấy trạng thái của một hợp chất, và không chỉ cấu tạo phân tử của nó, ảnh hưởng đến giá trị của nhiệt dung riêng của nó.
Trong mọi trường hợp, giả sử bạn được yêu cầu xác định cần bao nhiêu nhiệt để tăng nhiệt độ 150 g sắt (có nhiệt dung riêng, hoặc S, là 0,450) lên 5 C. Bạn sẽ làm thế nào về điều này?
Cách tính rất đơn giản; nhân nhiệt lượng riêng S với lượng vật liệu và sự thay đổi nhiệt độ. Vì S = 0,450 J / g ° C, lượng nhiệt cần thêm vào J là (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Một cách khác để thể hiện điều này có nghĩa là khả năng sinh nhiệt của 150 g sắt là 67,5 J, không gì khác hơn nhiệt lượng riêng S nhân với khối lượng của chất có mặt. Rõ ràng, mặc dù khả năng nhiệt của nước lỏng không đổi ở một nhiệt độ nhất định, nhưng sẽ cần nhiều nhiệt hơn để làm ấm một trong những hồ lớn thậm chí bằng một phần mười so với nhiệt độ của nước nóng hơn 1 độ hoặc 10 hoặc thậm chí 50.
Tỷ lệ Cp đến Cv là gì?
Trong phần trước, bạn đã được giới thiệu ý tưởng về khả năng nhiệt dự phòng cho các chất khí - nghĩa là các giá trị công suất nhiệt áp dụng cho một chất nhất định trong các điều kiện trong đó nhiệt độ (T) hoặc áp suất (P) không đổi trong suốt vấn đề. Bạn cũng đã được đưa ra các phương trình cơ bản H = E + P∆V và P∆V = R∆T.
Bạn có thể thấy từ hai phương trình sau có một cách khác để biểu thị sự thay đổi trong entanpy, H, là:
E + R∆T
Mặc dù không có dẫn xuất nào được cung cấp ở đây, một cách để thể hiện định luật nhiệt động lực học đầu tiên, áp dụng cho các hệ kín và bạn có thể đã nghe nói một cách thông tục là "Năng lượng không được tạo ra cũng không bị phá hủy" là:
∆E = CvT
Nói một cách dễ hiểu, điều này có nghĩa là khi một lượng năng lượng nhất định được thêm vào một hệ thống bao gồm một chất khí và thể tích của khí đó không được phép thay đổi (được biểu thị bằng chỉ số V trong Cv), nhiệt độ của nó phải tăng tỷ lệ thuận với giá trị nhiệt dung của khí đó.
Một mối quan hệ khác tồn tại giữa các biến này cho phép tạo ra công suất nhiệt ở áp suất không đổi, Cp, thay vì khối lượng không đổi. Mối quan hệ này là một cách khác để mô tả enthalpy:
∆H = CpT
Nếu bạn là adroit ở đại số, bạn có thể đi đến một mối quan hệ quan trọng giữa Cv và Cp:
Cp = Cv + R
Nghĩa là, công suất nhiệt của khí ở áp suất không đổi lớn hơn công suất nhiệt của nó ở thể tích không đổi bởi một số R không đổi có liên quan đến tính chất cụ thể của khí được xem xét kỹ lưỡng. Điều này làm cho ý nghĩa trực quan; nếu bạn tưởng tượng một loại khí được phép mở rộng để đáp ứng với áp lực bên trong ngày càng tăng, có lẽ bạn có thể nhận thấy rằng nó sẽ phải nóng lên ít hơn để đáp ứng với việc bổ sung năng lượng nhất định so với khi nó bị giới hạn trong cùng một không gian.
Cuối cùng, bạn có thể sử dụng tất cả các thông tin này để xác định một biến số cụ thể khác,, đó là tỷ lệ của Cp đến Cvhoặc Cp/ Cv. Bạn có thể thấy từ phương trình trước đó tỷ lệ này tăng đối với các khí có giá trị R. cao hơn
Cp và Cv của không khí
Cp và Cv của không khí đều quan trọng trong nghiên cứu về động lực học chất lỏng vì không khí (bao gồm hỗn hợp chủ yếu là nitơ và oxy) là loại khí phổ biến nhất mà con người gặp phải. Cả Cp và Cv phụ thuộc vào nhiệt độ, và không chính xác đến cùng mức độ; khi nó xảy ra, Cv tăng nhanh hơn một chút với nhiệt độ tăng. Điều này có nghĩa là "hằng số" trên thực tế không phải là hằng số, nhưng nó gần như đáng ngạc nhiên trong một phạm vi nhiệt độ có khả năng. Ví dụ: ở 300 độ Kelvin hoặc K (bằng 27 C), giá trị của γ là 1.400; ở nhiệt độ 400 K, cao hơn 127 C và cao hơn đáng kể so với nhiệt độ sôi của nước, giá trị của γ là 1.395.