Теплоёмкость — количество теплоты, поглощаемой (выделяемой) телом в процессе нагревания (остывания) на 1 кельвин. Более точно, теплоёмкость — физическая величина, определяемая как отношение количества теплоты , поглощаемой/выделяемой термодинамической системой при бесконечно малом изменении её температуры , к величине этого изменения :
Малое количество теплоты обозначается (а не ), чтобы подчеркнуть, что это не дифференциал параметра состояния (в отличие, например, от ), а функция процесса. Поэтому и теплоёмкость — это характеристика процесса перехода между двумя состояниями термодинамической системы, которая зависит и от пути процесса (например, от проведения его при постоянном объёме или постоянном давлении), и от способа нагревания/охлаждения (квазистатического или нестатического). Неоднозначность в определении теплоёмкости на практике устраняют тем, что выбирают и фиксируют путь квазистатического процесса (обычно оговаривается, что процесс происходит при постоянном давлении, равном атмосферному). При однозначном выборе процесса теплоёмкость становится параметром состояния и теплофизическим свойством вещества, образующего термодинамическую систему.
Удельная, молярная и объёмная теплоёмкости
Очевидно, что чем больше масса тела, тем больше требуется теплоты для его нагревания, и теплоёмкость тела пропорциональна количеству вещества, содержащегося в нём. Количество вещества может характеризоваться массой или количеством молей. Поэтому удобно пользоваться понятиями удельной теплоёмкости (теплоёмкости единицы массы тела):
и молярной теплоёмкости (теплоёмкости одного моля вещества):
где — количество вещества в теле; — масса тела; — молярная масса. Молярная и удельная теплоёмкости связаны соотношением .
Объёмная теплоёмкость (теплоёмкость единицы объёма тела):
Теплоёмкость для различных процессов и состояний вещества Понятие теплоёмкости определено как для веществ в различных агрегатных состояниях (твёрдых тел, жидкостей, газов), так и для ансамблей частиц и квазичастиц (в физике металлов, например, говорят о теплоёмкости электронного газа).
Теплоёмкость идеального газа
Теплоёмкость системы невзаимодействующих частиц (например, идеального газа) определяется числом степеней свободы частиц.
Молярная теплоёмкость при постоянном объёме:
где ≈ 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная, — число степеней свободы молекулы.
Молярная теплоёмкость при постоянном давлении связана с соотношением Майера:
Теплоёмкость кристаллов
Существует несколько теорий теплоёмкости твёрдого тела: Закон Дюлонга — Пти и закон Джоуля — Коппа. Оба закона выведены из классических представлений и с определённой точностью справедливы лишь для нормальных температур (примерно от 15 °C до 100 °C). Квантовая теория теплоёмкостей Эйнштейна. Первое применение квантовых законов к описанию теплоёмкости. Квантовая теория теплоёмкостей Дебая. Содержит наиболее полное описание и хорошо согласуется с экспериментом.
Температурная зависимость С ростом температуры теплоёмкость растёт у кристаллов, практически не меняется у жидкостей и газов.
При фазовом переходе происходит скачок теплоёмкости. Теплоёмкость вблизи самого фазового перехода стремится к бесконечности, поскольку температура фазового перехода остаётся постоянной при изменении теплоты.
Примечания
Литература
Категория:Термодинамика Категория:Статистическая физика Категория:Физические величины Категория:Физические свойства