Коэффициент теплоемкости - Википедия - Heat capacity ratio

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${ displaystyle c =}$ ${ displaystyle T}$ ${ displaystyle partial S}$ ${ displaystyle N}$ ${ displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${ displaystyle beta = -}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial p}$ Тепловое расширение   ${ Displaystyle альфа =}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория

В теплофизика и термодинамика, то коэффициент теплоемкости, также известный как индекс адиабаты, то соотношение удельных теплоемкостей, или же Коэффициент Лапласа, - отношение теплоемкость при постоянном давлении (C_п) к теплоемкости при постоянном объеме (C_V). Иногда его также называют изэнтропический коэффициент расширения и обозначается γ (гамма ) для идеального газа^{[примечание 1]} или же κ (каппа ), показатель изоэнтропы для реального газа. Символ γ используется авиакосмическими инженерами и химиками.

${ displaystyle gamma = { frac {C_ {P}} {C_ {V}}} = { frac {{ bar {C}} _ ​​{P}} {{ bar {C}} _ ​​{V }}} = { frac {c_ {P}} {c_ {V}}},}$

куда C теплоемкость, ${ displaystyle { bar {C}}}$ то молярная теплоемкость (теплоемкость на моль), и c то удельная теплоемкость (теплоемкость на единицу массы) газа. Суффиксы п и V относятся к условиям постоянного давления и постоянного объема соответственно.

Коэффициент теплоемкости важен для его применения в термодинамические обратимые процессы, особенно с участием идеальные газы; то скорость звука зависит от этого фактора.

Чтобы понять эту связь, рассмотрим следующие мысленный эксперимент. Закрытый пневматический цилиндр содержит воздух. В поршень заблокирован. Давление внутри равно атмосферному. Этот цилиндр нагревается до определенной целевой температуры. Поскольку поршень не может двигаться, объем постоянный. Температура и давление поднимутся. По достижении заданной температуры нагрев прекращается. Количество добавленной энергии равно C_VΔТ, с ΔТ представляющий изменение температуры. Теперь поршень высвобождается и движется наружу, останавливаясь, когда давление внутри камеры достигает атмосферного. Мы предполагаем, что расширение происходит без теплообмена (адиабатическое расширение ). Делая это работай, воздух внутри цилиндра остынет до температуры ниже заданной. Чтобы вернуться к целевой температуре (все еще со свободным поршнем), воздух должен быть нагрет, но уже не в постоянном объеме, так как поршень может свободно перемещаться при повторном нагреве газа. Это дополнительное тепло составляет примерно на 40% больше, чем добавленное ранее количество. В этом примере количество тепла, добавляемого при заблокированном поршне, пропорционально C_V, тогда как общее количество добавляемого тепла пропорционально C_п. Следовательно, коэффициент теплоемкости в этом примере равен 1,4.

Другой способ понять разницу между C_п и C_V в том, что C_п применяется, если в системе выполняется работа, которая вызывает изменение объема (например, перемещение поршня для сжатия содержимого цилиндра), или если работа выполняется системой, которая изменяет ее температуру (например, нагрев газ в цилиндре, чтобы заставить поршень двигаться). C_V применяется только если ${ displaystyle PdV = 0}$, то есть никаких работ не производится. Рассмотрим разницу между добавлением тепла к газу при заблокированном поршне и добавлением тепла при свободном движении поршня, чтобы давление оставалось постоянным. Во втором случае газ будет нагреваться и расширяться, заставляя поршень выполнять механическую работу с атмосферой. Тепло, которое добавляется к газу, лишь частично уходит на нагрев газа, а остальное преобразуется в механическую работу, выполняемую поршнем. В первом случае с постоянным объемом (заблокированный поршень) отсутствует внешнее движение, и, таким образом, с атмосферой не совершается никаких механических действий; C_V используется. Во втором случае при изменении объема выполняется дополнительная работа, поэтому количество тепла, необходимое для повышения температуры газа (удельная теплоемкость), больше для этого случая постоянного давления.

Идеально-газовые отношения

У идеального газа теплоемкость зависит от температуры. Соответственно, мы можем выразить энтальпия в качестве ЧАС = C_пТ и внутренняя энергия в качестве U = C_VТ. Таким образом, можно также сказать, что коэффициент теплоемкости - это отношение энтальпии к внутренней энергии:

${ displaystyle gamma = { frac {H} {U}}.}$

Кроме того, теплоемкости можно выразить через коэффициент теплоемкостей (γ) и газовая постоянная (р):

${ Displaystyle C_ {P} = { frac { gamma nR} { gamma -1}} quad { text {и}} quad C_ {V} = { frac {nR} { gamma -1 }},}$

куда п это количество вещества в молях.

Отношение Майера позволяет вывести значение C_V из более часто табулируемого значения C_п:

${ displaystyle C_ {V} = C_ {P} -nR.}$

Связь со степенями свободы

Коэффициент теплоемкости (γ) для идеального газа можно связать с степени свободы (ж) молекулы

${ displaystyle gamma = 1 + { frac {2} {f}}, quad { text {or}} quad f = { frac {2} { gamma -1}}.}$

Таким образом, мы видим, что для одноатомный газ, с 3 степенями свободы:

${ displaystyle gamma = { frac {5} {3}} = 1,6666 ldots,}$

в то время как для двухатомный газ, с 5 степенями свободы (при комнатной температуре: 3 поступательных и 2 вращательные степени свободы; колебательная степень свободы не участвует, за исключением высоких температур):

${ displaystyle gamma = { frac {7} {5}} = 1,4.}$

Например, земной воздух в основном состоит из двухатомный газы (около 78% азот, N₂, и 21% кислород, O₂), а при стандартных условиях может считаться идеальным газом. Приведенное выше значение 1,4 хорошо согласуется с измеренными индексами адиабаты для сухого воздуха в диапазоне температур 0–200 ° C, демонстрируя отклонение всего 0,2% (см. Таблицу выше).

Реальные газовые отношения

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Июнь 2008 г.)

По мере повышения температуры молекулярным газам становятся доступны более высокие энергетические вращательные и колебательные состояния, что увеличивает количество степеней свободы и снижает γ. Для настоящего газа оба C_п и C_V увеличиваются с ростом температуры, продолжая отличаться друг от друга на фиксированную константу (как указано выше, C_п = C_V + nR), что отражает относительно постоянную PV разница в работе, выполняемой при расширении при постоянном давлении и постоянном объеме. Таким образом, соотношение двух величин, γ, уменьшается с повышением температуры. Дополнительную информацию о механизмах хранения тепла в газах см. В разделе, посвященном газам. удельная теплоемкость. При 273 K (0 ° C) одноатомные газы, такие как благородные газы He, Ne и Ar, имеют одинаковое значение γ, то есть 1,664. Однако, как только вы начнете изучать двухатомные газы и газовые соединения, значения для γ меняются довольно часто.

Термодинамические выражения

Значения, основанные на приближении (особенно C_п − C_V = nR) во многих случаях недостаточно точны для практических инженерных расчетов, например, расхода по трубам и клапанам. По возможности следует использовать экспериментальное значение, а не значение, основанное на этом приближении. Строгое значение коэффициента C_п/C_V можно также рассчитать, определив C_V от остаточных свойств, выраженных как

${ Displaystyle C_ {P} -C_ {V} = - T { frac { left ({ frac { partial V} { partial T}} right) _ {P} ^ {2}} { left ({ frac { partial V} { partial P}} right) _ {T}}} = - T { frac { left ({ frac { partial P} { partial T}} справа) _ {V} ^ {2}} { left ({ frac { partial P} { partial V}} right) _ {T}}}.}$

Ценности для C_п легко доступны и регистрируются, но значения для C_V должны определяться через такие отношения. Видеть отношения между удельными плавками для вывода термодинамических соотношений между теплоемкостями.

Приведенное выше определение - это подход, используемый для получения строгих выражений из уравнений состояния (таких как Пэн – Робинсон ), которые так близко соответствуют экспериментальным значениям, что нет необходимости в создании базы данных соотношений или C_V значения. Значения также можно определить с помощью конечно-разностная аппроксимация.

Адиабатический процесс

Это соотношение дает важное соотношение для изэнтропический (квазистатический, обратимый, адиабатический процесс ) процесс простого сжимаемого калорически совершенного идеальный газ:

${ displaystyle PV ^ { gamma}}$ постоянно

Используя закон идеального газа, ${ displaystyle PV = nRT}$:

${ Displaystyle P ^ {1- gamma} T ^ { gamma}}$ постоянно

${ displaystyle TV ^ { gamma -1}}$ постоянно

куда п давление в Па, V объем газа в ${ displaystyle m ^ {3}}$ и Т - температура в К.

В газовой динамике нас больше интересуют локальные отношения между давлением, плотностью и температурой, чем рассмотрение фиксированного количества газа. Учитывая плотность ${ Displaystyle rho = M / V}$ как величина, обратная объему для единицы массы, можно взять ${ Displaystyle rho = 1 / V}$ в этих отношениях. Поскольку при постоянной энтропии ${ displaystyle S}$, у нас есть ${ Displaystyle P propto rho ^ { gamma}}$, или же ${ Displaystyle пер П = гамма пер ро + константа}$, следует, что

${ displaystyle gamma = left. { frac { partial ln P} { partial ln rho}} right | _ {S}.}$

Для несовершенного или неидеального газа Чандрасекхар ^[3] определили три различных показателя адиабаты, так что адиабатические отношения могут быть записаны в той же форме, что и выше; они используются в теории звездная структура:

${ displaystyle Gamma _ {1} = left. { frac { partial ln P} { partial ln rho}} right | _ {S},}$

${ displaystyle { frac { Gamma _ {2} -1} { Gamma _ {2}}} = left. { frac { partial ln T} { partial ln P}} right | _ {S},}$

${ displaystyle Gamma _ {3} -1 = left. { frac { partial ln T} { partial ln rho}} right | _ {S}.}$

Все они равны ${ displaystyle gamma}$ в случае идеального газа.

Смотрите также

• Соотношение теплоемкостей
• Теплоемкость
• Удельная теплоемкость
• Скорость звука
• Термодинамические уравнения
• Термодинамика
• Объемная теплоемкость

Рекомендации

Эта статья не хватает ISBN для книг, перечисленных в нем. Пожалуйста облегчить проведение исследований путем перечисления ISBN. Если {{Цитировать книгу}} или же {{цитата}} шаблоны используются, вы можете добавлять ISBN автоматически, или обсудите этот вопрос на страница обсуждения. (Июль 2017 г.)

Примечания