Теплоёмкость
Шаблон:Физическая величина 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 Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn:
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 системыШаблон:Sfn, которая зависит и от пути процесса (например, от проведения его при постоянном объёме или постоянном давлении)Шаблон:SfnШаблон:Sfn, и от способа нагревания/охлаждения (квазистатического или нестатического)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. Неоднозначность в определении теплоёмкостиШаблон:Sfn 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 состоянияШаблон:SfnШаблон:Sfn и теплофизическим свойством вещества, образующего термодинамическую системуШаблон:Sfn.
Удельная, молярная и объёмная теплоёмкости
Шаблон:Main 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 [1][2].
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[1][2].
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.
