2.1. Расчет количества теплоты и теплоемкости.

Потребность в расчетах количества теплоты в научной и инженерной практике появилась задолго до «рождения» термодинамики. Эта потребность стимулировала появление специальной науки – калориметрии, в которой центральным понятием является понятие теплоемкости. Исторически термин «емкость теплоты» перешел в «теплоемкость», которая различается по многим характеристикам.

Определение. Истинной теплоемкостью вещества называется отношение бесконечно малого количества теплоты к бесконечно малому изменению температуры:

Дж/К (2.9)

Смысл слова «истинная» состоит в том, что бесконечно малое приращение температуры dT берется от какой-то температуры Т. Поэтому истинная теплоемкость является функцией от самой температуры (параметр, влияющий на свойства вещества).

Наверное, понятно, что при одном и том же изменении температуры dT элементарное количество теплоты dQ и, следовательно, теплоемкость при таком изменении зависят от количественной меры вещества. В химической технологии – это число молей (кмоль), в технике и быту количество вещества определяют или массой m (кг), или объемом V₀ при нормальных условиях (нм³)(в химии р₀ = 760 мм. рт. ст, Т₀ = 298К). Поэтому истинную теплоемкость относят (уделяют) на одну из этих мер. Соответственно, получается удельная истинная теплоемкость массовая, мольная и объемная. Их обозначения (не стандартизованы) и размерность следующие: [c] = Дж/кгК, [μc] = Дж/кмольК, [c΄] = Дж/нм³К.

Определение. Средней теплоемкостью называется

, ΔT = t₂ – t₁ (2.10)

Индекс «m» внизу у значка теплоемкости присвоен для обозначения слова «средний» (от английского слова middle или немецкого mittel). По существу, средняя теплоемкость – это средне интегральная величина истинной теплоемкости.

Иными словами, средняя теплоемкость вещества в каком-то интервале температуры – это количество теплоты, которое надо подвести (отвести) к (от) рабочему телу, чтобы изменить его температуру на 1 градус.

Так как удельное (полное) количество теплоты q (Q) является функцией процесса, то в калориметрии пришлось отдельно рассматривать теплоемкости по процессам: изохорную (v = const) и изобарную (p = const), так как эти процессы наиболее часто применяются на практике (емкости, трубы, аппараты и т.д.) Обозначение этих теплоемкостей (калорических величин) следующее: с_р, с_v или , для истинных и средних теплоемкостей соответственно.

В итоге выстраивается обширная классификация теплоемкостей: по интервалам температур на истинные и средние, по количествам вещества на массовые, мольные и объемные; по свойствам самих веществ; и, наконец, по множеству видов процессов, среди которых чаще всего встречаются изохорный и изобарный. Это численное и содержательное обилие теплоемкостей требует внимательного отношения к символам и размерностям рассмотренной калорической величины. Мы рекомендуем студентам в своей учебной работе всякий раз четко понимать и обозначать, о какой же теплоемкости в их расчетах идет речь (а их оказалось 7 видов без учета свойств веществ, а с ними и номенклатуры теплоемкостей). При любых расчетах всегда надо указывать размерность и номенклатуру (т.е. название) используемой теплоемкости.

Тогда удельное количество теплоты находится как:

q = ΔT, Дж/кг, q = μ ΔT, Дж/кмоль, и q = ΔT, Дж/нм³.

А полное количество теплоты находится как:

Q = mq = m ΔT, Q = nq = n μ ΔT, Q = V₀q = V₀ ΔT , Дж.

Соотношение теплоемкостей, отнесенных к разным количествам вещества следующее:

μс = μ∙с = с΄∙22,4 кДж/кмольК. (2.11)

Примечание: конкретное освоение и расчет теплоемкостей рассматривается на лабораторной работе №2 «Определение объемной теплоемкости воздуха при постоянном давлении».

. Существуют многочисленные табличные данные в справочной литературе по этим величинам теплоемкостей. Но для прикидочных расчетов, в которых нет особых требований к точности результата, полезно пользоваться постоянными величинами теплоемкостей, которые приводятся в таблице ниже.

Таблица приближенных значений мольных

теплоемкостей газов при невысоких температурах.

Газ	μcv, кДж/кмоль К
Одноатомный	12,6
Двухатомный	20,9
Трех и более атомный	29,1

Окончательно: теплоемкость, как калорическая (тепловая) величина, не относится к категории функций состояния и тем более к параметрам состояния. Строго говоря, понятие теплоемкости чуждо термодинамике, так как количество термического воздействия внешней среды на систему можно рассчитать и без теплоемкости как dq = Tds. Тем не менее обилие справочного материала по теплоемкости для большого числа веществ и привычка к этой калорической характеристике сделали ее широко употребительной в термодинамических и других физико-химических расчетах.

Теперь с помощью простых физических соображений покажем, что изобарная теплоемкость любого вещества всегда больше изохорной (с_р > c_v).

Сначала проведем мысленный эксперимент, как бы используя экспериментальную установку на рис.2.5.

Рис.2.5. Схема двух экспериментов.

Измеряемые величины: температура Т с помощью термопар,

давление р с помощью манометра, количество теплоты q.

В первом случае (слева) просто нагреваем баллон с газом, во втором – нагреваем и поддерживаем постоянное давление в сосуде, позволяя газу расширяться. Зададимся вопросом: «В каком случае необходимо подвести больше теплоты, если начальная температура Т и ее изменение ΔТ в обоих случаях одинаковы?». Или иначе: «Какая теплоемкость больше: с_р или с_v?».

Ответ основывается на принципиальном различии экспериментов: слева термодинамическая система деформационно изолирована от внешней среды, т.е. не может совершить работу dw = pdv, а справа – может. И газ по-прежнему нагревается на ΔТ от подведенной теплоты q_v = c_vΔT, а во втором случае q_p = q_v(ΔT) + q(w) ≡ c_pΔT. Поэтому ответ на поставленный вопрос: с_р > с_v.