Средняя теплоемкость газа в интервале температур от т1 до т2

(1.5)

– это количество теплоты, подведенное к 1 кг вещества при изменении его температуры от Т₁ до Т₂.

1.5.2. Теплоемкость газов

Теплоемкость газов зависит от:

• типа термодинамического процесса (изохорный, изобарный, изотермический и др.);

• рода газа, т.е. от числа атомов в молекуле;

• параметров состояния газа (давления, температуры и др.).

А) Влияние типа термодинамического процесса на теплоемкость газа

Количество теплоты, необходимое для нагревания одного и того же количества газа в одном и том же диапазоне температур, зависит от типа термодинамического процесса, совершаемого газом.

Рис. 1.2.

В изохорном процессе (υ = const) теплота тратится лишь на нагрев газа на величину. Газ не расширяется в замкнутом сосуде (рис. 1.2а), поэтому и не совершает работу. Теплоемкость газа в изохорном процессе обозначается символом с_υ.

В изобарном процессе (р = const) теплота тратится не только на нагрев газа на ту же величину, что и в изохорном процессе, но и на совершение им работыпри поднятии поршня с площадьюна величину(рис. 1.2б). Теплоемкость газа в изобарном процессе обозначается символом с_р.

Так как по условию в обоих процессах величина одинакова, то в изобарном процессе за счет совершения газом работывеличина. Поэтому в изобарном процессе теплоемкостьс_р с_υ.

В соответствии с формулой Майера для идеального газа

или . (1.6)

Б) Влияние рода газа на его теплоемкость Из молекулярно-кинетической теории идеального газа известно, что

, ,

где – число поступательных и вращательных степеней свободы движения молекул данного газа. Тогда

, а . (1.7)

Рис. 1.3. Схемы одно- и двухатомной моделей газа	Рис. 1.4. Зависимость теплоемкости газов от температуры

Одноатомный газ имеет три поступательных степени свободы движения молекулы (рис.1.3а), т.е. .

Двухатомный газ имеет три поступательных степени свободы движения и две степени свободы вращательного движения молекулы (рис. 1.3б), т.е. . Аналогично можно показать, что для трехатомного газа.

Таким образом, мольная теплоемкость газов зависит от числа степеней свободы движения молекул, т.е. от числа атомов в молекуле , а удельная теплоемкость зависит также от молекулярной массы, т.к. от неё зависит значение газовой постоянной, которая различна для разных газов.

В) Влияние параметров состояния газа на его теплоемкость

Теплоемкость идеального газа зависит только от температуры и увеличивается при увеличении Т.

Одноатомные газы представляют исключение, т.к. их теплоемкость практически не зависит от температуры.

Классическая молекулярно-кинетическая теория газов позволяет довольно точно определить теплоемкости одноатомных идеальных газов в широком диапазоне температур и теплоемкости многих двухатомных (и даже трехатомных) газов при невысоких температурах.

Но при температурах, существенно отличных от 0 ^оС, экспериментальные значения теплоемкости двух- и многоатомных газов оказываются значительно отличающимися от предсказанных молекулярно-кинетической теорией.

На рис. 1.4 приведена зависимость молярных теплоемкостей водорода и гелия при постоянном объеме с_v от абсолютной температуры Т в широком диапазоне её изменения. Как видно, значения теплоемкости для двухатомного газа (и многоатомных газов) могут существенно зависеть от температуры. Это объясняется тем, что при низких температурах вращательные степени свободы не возбуждаются, и поэтому молярная теплоемкость двухатомного (и многоатомного) газа оказывается такой же, как и у одноатомного (у водорода такой же, как у гелия). При высоких же температурах у двух- и многоатомных газов возбуждаются еще и степени свободы, связанные с колебаниями атомов в молекулах, что ведет к дополнительному увеличению их теплоемкости.

В теплотехнических расчетах обычно пользуются опытными значениями теплоемкости газов, представленными в виде таблиц. При этом теплоемкость, определенная в опыте (при данной температуре), называется истинной теплоемкостью. А если в опыте измерялось количество теплоты q, которое было затрачено на существенное повышение температуры 1 кг газа от некоторой температуры T₀ до температуры T, т.е. на Т = Т T₀ , то отношение

(1.8)

называется средней теплоемкостью газа в данном интервале температур.

Обычно в справочных таблицах значения средней теплоемкости даются при значении T₀ , соответствующем нулю градусов Цельсия.

Теплоемкость реального газа зависит, кроме температуры, также и от давления из-за влияния сил межмолекулярного взаимодействия.