Отваря главното меню

Топлинен капацитет

(пренасочване от Топлоемкост)

Топлинен капацитет (или топлоемкост) е физично свойство на материята, което представлява количеството топлина, която трябва да се подава към дадена маса вещество, за да се получи единица промяна в неговата температура.[1][2] Единицата по SI за топлинен капацитет е джаул на келвин (J/K).

Топлинният капацитет е екстензивно свойство. Съответстващото му интензивно свойство е специфичният топлинен капацитет. Разделянето на топлинния капацитет по количеството вещество в молове дава неговия моларен топлинен капацитет. Обемният топлинен капацитет пък измерва топлинния капацитет за даден обем.

В архитектурата и строителното инженерство, топлинния капацитет често се нарича термална маса.

ОпределениеРедактиране

Топлинният капацитет на тяло е границата:

 

където   е количеството топлина, което трябва да се прибави към тялото (с маса M), за да се повиши температурата му с  .

Стойността на този параметър обикновено варира значително в зависимост от началната температура   на тялото и налягането   върху него. Следователно, трябва да се счита за функция   на тези две променливи. Все пак, това изменение може да бъде пренебрегнато при работа с тела в тесен диапазон от температура и налягане. Например, топлинният капацитет на блокче желязо, тежащо фунт, е около 204 J/K, когато се измери при начална температура T=25 °C и начално налягане P=1 atm. Тази приблизителна стойност е достатъчно адекватна за всички температури между, примерно, 15 °C и 35 °C и налягане между 0 и 10 atm, тъй като точната стойност варира много малко в този диапазон. Може да се приеме, че добавянето на топлина от 204 J би повишило температурата на блокчето от 15 °C до 16 °C или от 34 °C до 35 °C с пренебрежима грешка.

Хомогенни системиРедактиране

При постоянно налягане (изобарен процес), добавянето на топлина към системата би допринесло към работата и изменението във вътрешната енергия, според първия закон на термодинамиката. Тогава топлинният капацитет се обозначава с  . При постоянен обем (изохорен процес), внасяната топлина допринася само към изменението на вътрешната енергия (не се извършва работа). Тогава топлинният капацитет се обозначава с  . Стойността на   винаги е по-малка от тази на  .

За идеален газ може да се изведе израза:

 

 

където   е броят молове на газа,   е универсалната газова константа, а   е адиабатният показател (може да се изчисли от степените на свобода на газовата молекула).

Използвайки горните две зависимости, могат да се изведат специфичните топлини:

 

 

При постоянна температура (изотермен процес), не се наблюдава промяна във вътрешната енергия, но се извършва работа. От това следва, че е нужно безкрайно голямо количество топлина, за да се повиши температурата на системата, което води до безкраен или неопределен топлинен капацитет на системата.

Топлинният капацитет за система, подложена на фазов преход, е безкраен, тъй като топлината се използва за промяна на състоянието на материала, а не за повишаване на общата температура.

Хетерогенни телаРедактиране

Топлинният капацитет може да е ясно определен дори за хетерогенни тела, чиито различни части са съставени от различни вещества, като например електрически двигател, тигел или дори цяла сграда. В много случаи, изобарният топлинен капацитет на такива тела може да се изчисли чрез добавяне на изобарните топлинни капацитети на отделните части.

Обаче, това изчисление важи само в случай, че всички части на обекта са подложени на едно и също външно налягане преди и след измерване. В някои случаи, това е невъзможно. Например, при нагряването на газ в еластичен съд, неговите обем и налягане нарастват, дори и външното атмосферно налягане да е константно. Поради това, ефективният топлинен капацитет на газа в тази ситуация ще има средна стойност между изобрания си и изохорния си капацитет (  и   съответно).

ИзточнициРедактиране

  1. Halliday, David, Resnick, Robert. Fundamentals of Physics. Wiley, 2013. с. 524.
  2. Булидорова Г. В., Галяметдинов Ю. Г., Ярошевская Х. М., Барабанов В. П.. Физическая химия. Книга 1. Основы химической термодинамики. Фазовые равновесия. Москва, КДУ; Университетская книга, 2016. ISBN 978-5-91304-600-0. с. 41.