Теоретическая часть. Для характеристики тепловых свойств газа, как и всякого другого тела, пользуются особой величиной - теплоемкостью

Для характеристики тепловых свойств газа, как и всякого другого тела, пользуются особой величиной - теплоемкостью.

Теплоемкостью тела называют количество теплоты, которое нужно подвести к нему или отнять от него для изменения его температуры на 1 К:

.

Теплоемкость, отнесенная к единице массы вещества, называется удельной теплоемкостью. Она, очевидно, характеризует уже не тело, а вещество, из которого это тело состоит. Теплоемкость, отнесенная к одному молю вещества, называется молярной теплоемкостью.

Между удельной теплоемкостью - c и молярной - C существует очевидное соотношение:

,

где М - молярная масса (измеряется в кг/моль).

Теплоемкость газа зависит от условий его нагревания. В частности, газ можно нагревать при постоянном объеме V или при постоянном давлении Р. Соответственно получаем теплоемкость при постоянном объеме C_v и теплоемкость при постоянном давлении C_p.

Отношение С_p/С_v = γ является параметром при адиабатных процессах и при процессах, близких к ним (γ называют коэффициентом Пуассона).

Процесс называется адиабатным, если в этом процессе нет теплообмена газа с окружающей средой (стенки сосуда теплоизолированы). Если адиабатный процесс является равновесным (в каждый момент времени давление Р и температура Т одинаковы по всему объему), то он описывается уравнением Пуассона

РV^γ = const.

Согласно первому началу термодинамики

∆Q = ∆U +∆A,

где ∆Q - количество теплоты, сообщенное газу, ∆U - изменение внутренней энергии газа, ∆A - работа, совершенная газом над внешними телами.

Рассмотрим один моль газа. Если V = const, то ∆A = 0 и, следовательно,
С_v = ∆U / ∆Т. Если Р = const, то ∆A = Р∆V = R ∆T, так как уравнение состояния (PV = RT) справедливо в начальном и конечном состоянии газа.

Следовательно,

.

Таким образом, молярные теплоемкости C_p и С_v для идеального газа связаны соотношением

C_p = С_v + R,

где R - универсальная газовая постоянная.

C_p > С_v, так как при V = const вся сообщаемая газу теплота идет только на изменение внутренней энергии газа, тогда как при Р = const нагревание газа неизбежно сопровождается его расширением. При этом газ совершает работу, для чего приходится сообщать ему дополнительное количество теплоты.

В молекулярно-кинетической теории газов показывается, что , где i - число степеней свободы одной молекулы - число независимых координат, с помощью которых однозначно определяется положение и ориентация молекулы в пространстве.

Для одноатомных молекул i = 3 (например, инертные газы), для двух атомной жесткой молекулы (расстояние между молекулами постоянно) i = 5.

Именно такими являются молекулы N₂ и О₂ в воздухе при комнатных температурах и, следовательно, для них

.