ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Теплоемкостью тела называют количество теплоты, которое нужно сообщить данному телу, чтобы повысить его температуру на один градус. При остывании на один градус тело отдает такое же количество тепла. Теплоемкость пропорциональна массе тела. Теплоемкость единицы массы тела называется удельной, а произведение удельной теплоемкости на атомную или молекулярную массу — соответственно атомной или молярной.

Теплоемкости различных веществ сильно различаются между собой. Так, удельная теплоемкость воды при 20° С составляет 4200 Дж/кг К, соснового дерева — 1700, воздуха — 1010. У металлов она меньше: алюминия — 880 Дж/кг К, железа — 460, меди — 385, свинца — 130. Удельная теплоемкость слабо растет с температурой (при 90° С теплоемкость воды составляет 4220 Дж/кг К) и сильно меняется при фазовых превращениях: теплоемкость льда при 0° С в 2 раза меньше, чем воды; теплоемкость водяного пара при 100е С около 1500 Дж/кг К.

Теплоемкость зависит от условий, в которых происходит изменение температуры тела. Если размеры тела не меняются, то вся теплота идет на изменение внутренней энергии. Здесь говорится о теплоемкости при постоянном объеме (С_V). При постоянном внешнем давлении благодаря тепловому расширению совершается механическая работа против внешних сил, и нагревание на ту или иную температуру требует большего тепла. Поэтому теплоемкость при постоянном давлении С_P всегда больше, чем C_V. Для идеальных газов С_P — C_V = R (см. рис.), где R — газовая постоянная, равная 8,32 Дж/моль К.

Обычно измеряется С_P. Классический способ измерения теплоемкости следующий: тело, теплоемкость которого (С_x) хотят измерить, нагревают до определенной температуры t_x и помещают в калориметр с начальной температурой t₀, наполненный водой или другой жидкостью с известной теплоемкостью (С_к и С_ж — теплоемкости калориметра и жидкости). Измеряя температуру в калориметре после установления теплового равновесия (t), можно вычислить теплоемкость тела по формуле:

С_x = (t-t₀)(C_жm_ж + C_кm_к) / (m_x(t_x-t)),

где m_x, m_ж и m_к — массы тела, жидкости и калориметра.

Наиболее развита теория теплоемкости газов. При обычных температурах нагревание приводит в основном к изменению энергии поступательного и вращательного движения молекул газа. Для молярной теплоемкости одноатомных газов C_V теория дает 3R/2, двухатомных и многоатомных — 5R/2 и 3R. При очень низких температурах теплоемкость несколько меньше из-за квантовых эффектов (см. Квантовая механика). При высоких температурах добавляется колебательная энергия, и теплоемкость многоатомных газов растет с ростом температуры.

Атомная теплоемкость кристаллов, по классической теории, равна 3Ry что согласуется с эмпирическим законом Дюлонга и Пти (установлен в 1819 г. французскими учеными П. Дюлонгом и А. Пти). Квантовая теория теплоемкости приводит к такому же выводу при высоких температурах, но предсказывает уменьшение теплоемкости при понижении температуры. Вблизи абсолютного нуля теплоемкость всех тел стремится к нулю (третий закон термодинамики).