Теплоемкость и ее практическое использование

Теплоемкость тела учитывают:

• при изучении строения веществ и их свойств;

• исследовании фазовых переходов и критических явлений;

• расчете суммарного количества примеси в веществе;

• определении тепловых эффектов химических реакций.

Выражая, например, С_p = (ΔH /ΔТ) в дифференциальной форме ΔС_p = [d(ΔH)/dT], получаем уравнение Кирхгофа: общее изменение теплоемкости системы в результате реакции есть разность сумм теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ:

ΔС_p = Σn^.ΔC_p^пр- Σm^.ΔС_р^ив;

где n и m — количество исходных веществ и продуктов реакции.

Тепловой эффект реакции в зависимости от температуры определяется из уравнения

ΔH = ΔH₂ – ΔH₁ или ΔH = ∫ ΔС_p dT.

Уравнение Кирхгофа позволяет вычислить тепловой эффект реакции при любой температуре, исходя из известных величин теплового эффекта реакции при какой-либо температуре и изменения теплоемкости процесса. Чем больше ΔС_p тем в большей степени температура влияет на тепловой эффект реакции.

Удельная теплоемкость с является также важнейшей характеристикой при расчете тепловых потерь ограждающих конструкций и составлении балансов тепловых агрегатов.

Следует заметить, что теплоемкость, так же, как и плотность, не зависит от анизотропии кристаллов.

3.2. Тепловое расширение Основные понятия, термины, определения

Тепловое расширение — это физическое свойство вещества и материала, характеризующееся изменением размеров тела в процессе его нагревания.

С точки зрения термодинамики тепловое расширение следует рассматривать как изобарический процесс, при котором теплота при нагревании затрачивается на производство работы по расширению и на увеличение внутренней энергии тела. Количественно оно характеризуется изобарным коэффициентом расширения или коэффициентом объемного теплового расширения β:

β = (1/ V)(dV/dТ)_p,

где: V — объем тела (твердого, жидкого или газообразного);

Т — его абсолютная температура.

Практически значение β определяется по формуле:

β = (V₁ –V₂)/V₁(T₂-T₁);

где: Т₁ и Т₂ — температуры соответственно до и после нагревания;

V₁ и V₂ — объемы тела соответственно при Т₁ и Т₂.

Механизм теплового расширения твердых тел

Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом. Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Тепловое расширение зависит от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости твердого тела.