किसी गैस की ऊष्मा क्षमता वह ऊर्जा की मात्रा है जिसे एक डिग्री गर्म करने पर शरीर अवशोषित करता है। आइए इस भौतिक राशि की मुख्य विशेषताओं का विश्लेषण करें।
परिभाषाएं
किसी गैस की विशिष्ट ऊष्मा किसी विशेष पदार्थ का इकाई द्रव्यमान होती है। इसकी माप की इकाइयाँ J/(kg·K) हैं। अपने एकत्रीकरण की स्थिति को बदलने की प्रक्रिया में शरीर द्वारा अवशोषित गर्मी की मात्रा न केवल प्रारंभिक और अंतिम स्थिति से जुड़ी होती है, बल्कि संक्रमण की विधि से भी जुड़ी होती है।
विभाग
गैसों की ताप क्षमता को स्थिर आयतन (Cv), स्थिर दबाव (Cр) पर निर्धारित मान से विभाजित किया जाता है।
दबाव को बदले बिना गर्म करने के मामले में, गैस के विस्तार के काम को उत्पन्न करने के लिए कुछ गर्मी खर्च की जाती है, और ऊर्जा का कुछ हिस्सा आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने के लिए खर्च किया जाता है।
निरंतर दबाव पर गैसों की ताप क्षमता आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने पर खर्च होने वाली गर्मी की मात्रा से निर्धारित होती है।
गैस अवस्था: विशेषताएं, विवरण
एक आदर्श गैस की ताप क्षमता इस तथ्य को ध्यान में रखकर निर्धारित की जाती है कि Сp-Сv=R. बाद की मात्रा को सार्वभौमिक गैस स्थिरांक कहा जाता है। इसका मान 8.314 J/(mol K) से मेल खाता है।
गर्मी क्षमता की सैद्धांतिक गणना करते समय, उदाहरण के लिए, तापमान के साथ संबंध का वर्णन करते हुए, केवल थर्मोडायनामिक विधियों का उपयोग करना पर्याप्त नहीं है, अपने आप को स्थिर भौतिकी के तत्वों से लैस करना महत्वपूर्ण है।
गैसों की ऊष्मा क्षमता में कुछ अणुओं की अनुवाद गति की ऊर्जा के औसत मूल्य की गणना शामिल होती है। इस तरह की गति को अणु के घूर्णी और स्थानांतरीय गति के साथ-साथ परमाणुओं के आंतरिक कंपन से अभिव्यक्त किया जाता है।
स्थिर भौतिकी में, जानकारी है कि घूर्णन और स्थानांतरीय गति की स्वतंत्रता की प्रत्येक डिग्री के लिए, एक गैस के लिए एक मात्रा होती है जो सार्वभौमिक गैस स्थिरांक के आधे के बराबर होती है।
दिलचस्प तथ्य
एक अणुपरमाणुक गैस के एक कण को स्वतंत्रता की तीन अनुवादात्मक डिग्री माना जाता है, इसलिए गैस की विशिष्ट ऊष्मा में तीन अनुवादात्मक, दो घूर्णी और एक कंपन की स्वतंत्रता की डिग्री होती है। उनके एकसमान वितरण का नियम स्थिर आयतन पर विशिष्ट ऊष्मा को R के बराबर करने की ओर ले जाता है।
प्रयोगों के दौरान, यह पाया गया कि एक डायटोमिक गैस की ऊष्मा क्षमता R मान से मेल खाती है। सिद्धांत और व्यवहार के बीच इस तरह की विसंगति को इस तथ्य से समझाया गया है कि एक आदर्श गैस की ऊष्मा क्षमता क्वांटम से जुड़ी होती है प्रभाव, इसलिए, गणना करते समय, क्वांटम के आधार पर आँकड़ों का उपयोग करना महत्वपूर्ण हैयांत्रिकी।
क्वांटम यांत्रिकी की नींव के आधार पर, कणों की कोई भी प्रणाली जो गैस के अणुओं सहित दोलन या घूमती है, में ऊर्जा के केवल कुछ असतत मूल्य होते हैं।
यदि सिस्टम में थर्मल गति की ऊर्जा एक निश्चित आवृत्ति के दोलनों को उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त नहीं है, तो ऐसे गति सिस्टम की कुल गर्मी क्षमता में योगदान नहीं करते हैं।
परिणामस्वरूप, स्वतंत्रता की एक विशिष्ट डिग्री "जमे हुए" हो जाती है, उस पर समविभाजन का नियम लागू करना असंभव है।
गैसों की ऊष्मा क्षमता उस अवस्था की एक महत्वपूर्ण विशेषता है जिस पर संपूर्ण थर्मोडायनामिक प्रणाली की कार्यप्रणाली निर्भर करती है।
जिस तापमान पर समविभाजन का नियम स्वतंत्रता की कंपन या घूर्णन डिग्री पर लागू किया जा सकता है, वह क्वांटम सिद्धांत की विशेषता है, जो प्लैंक स्थिरांक को बोल्ट्जमान स्थिरांक से जोड़ता है।
द्विपरमाणुक गैसें
ऐसी गैसों के घूर्णी ऊर्जा स्तरों के बीच का अंतराल डिग्री की एक छोटी संख्या है। अपवाद हाइड्रोजन है, जिसमें तापमान मान सैकड़ों डिग्री से निर्धारित होता है।
इसीलिए एकसमान वितरण के नियम द्वारा स्थिर दबाव पर गैस की ऊष्मा क्षमता का वर्णन करना मुश्किल है। क्वांटम आँकड़ों में, गर्मी क्षमता का निर्धारण करते समय, यह ध्यान में रखा जाता है कि तापमान में कमी के मामले में इसका कंपन हिस्सा जल्दी से कम हो जाता है और शून्य तक पहुंच जाता है।
यह घटना इस तथ्य की व्याख्या करती है कि कमरे के तापमान पर व्यावहारिक रूप से गर्मी क्षमता का कोई कंपन हिस्सा नहीं होता है, क्योंकिद्विपरमाणुक गैस, यह स्थिरांक R से मेल खाती है।
निम्न तापमान संकेतकों के मामले में स्थिर आयतन पर गैस की ताप क्षमता क्वांटम आँकड़ों का उपयोग करके निर्धारित की जाती है। नर्नस्ट सिद्धांत है, जिसे ऊष्मागतिकी का तीसरा नियम कहा जाता है। इसके निर्माण के आधार पर, गैस की दाढ़ ताप क्षमता घटते तापमान के साथ घट जाएगी, शून्य की ओर बढ़ जाएगी।
ठोस की विशेषताएं
यदि क्वांटम आँकड़ों का उपयोग करके गैसों के मिश्रण की ऊष्मा क्षमता को समझाया जा सकता है, तो एकत्रीकरण की एक ठोस अवस्था के लिए, तापीय गति को संतुलन की स्थिति के पास कणों के मामूली उतार-चढ़ाव की विशेषता होती है।
प्रत्येक परमाणु में स्वतंत्रता की तीन कंपन डिग्री होती है, इसलिए, समविभाजन कानून के अनुसार, एक ठोस की दाढ़ ताप क्षमता की गणना 3nR के रूप में की जा सकती है, जिसमें n एक अणु में परमाणुओं की संख्या होती है।
व्यवहार में, यह संख्या वह सीमा है जिस तक किसी ठोस पिंड की ऊष्मा क्षमता उच्च तापमान पर झुकती है।
धातुओं सहित कुछ तत्वों के लिए सामान्य तापमान पर अधिकतम प्राप्त किया जा सकता है। एन=1 के लिए, डुलोंग और पेटिट कानून पूरा हो गया है, लेकिन जटिल पदार्थों के लिए ऐसी सीमा तक पहुंचना मुश्किल है। चूँकि सीमा वास्तव में प्राप्त नहीं की जा सकती, इसलिए ठोस का अपघटन या गलनांक होता है।
क्वांटम सिद्धांत का इतिहास
क्वांटम सिद्धांत के संस्थापक बीसवीं शताब्दी की शुरुआत में आइंस्टीन और डेबी हैं। यह एक निश्चित में परमाणुओं के दोलन गतियों के परिमाणीकरण पर आधारित हैक्रिस्टल कम तापमान संकेतकों के मामले में, एक ठोस शरीर की गर्मी क्षमता घन के पूर्ण मूल्य के सीधे आनुपातिक हो जाती है। इस संबंध को डेबी का नियम कहा गया है। एक मानदंड के रूप में जो निम्न और उच्च तापमान संकेतकों के बीच अंतर करना संभव बनाता है, उनकी तुलना डेबी तापमान से की जाती है।
यह मान शरीर में एक परमाणु के कंपन के स्पेक्ट्रम से निर्धारित होता है, इसलिए यह गंभीरता से इसकी क्रिस्टल संरचना की विशेषताओं पर निर्भर करता है।
QD एक ऐसा मान है जिसमें कई सौ K होते हैं, लेकिन, उदाहरण के लिए, यह हीरे में बहुत अधिक होता है।
चालन इलेक्ट्रॉन धातुओं की ऊष्मा क्षमता में महत्वपूर्ण योगदान देते हैं। इसकी गणना के लिए फर्मी क्वांटम सांख्यिकी का उपयोग किया जाता है। धातु परमाणुओं के लिए इलेक्ट्रॉनिक चालकता पूर्ण तापमान के सीधे आनुपातिक है। चूंकि यह एक महत्वहीन मूल्य है, इसलिए इसे केवल पूर्ण शून्य के तापमान पर ही ध्यान में रखा जाता है।
गर्मी क्षमता निर्धारित करने के तरीके
मुख्य प्रयोगात्मक विधि कैलोरीमिति है। गर्मी क्षमता की सैद्धांतिक गणना करने के लिए, सांख्यिकीय थर्मोडायनामिक्स का उपयोग किया जाता है। यह एक आदर्श गैस के लिए मान्य है, साथ ही क्रिस्टलीय निकायों के लिए, पदार्थ की संरचना पर प्रयोगात्मक डेटा के आधार पर किया जाता है।
एक आदर्श गैस की ताप क्षमता की गणना के लिए अनुभवजन्य तरीके रासायनिक संरचना के विचार पर आधारित हैं, परमाणुओं के अलग-अलग समूहों का Ср में योगदान।
तरल पदार्थों के लिए ऐसी विधियों का भी उपयोग किया जाता है जो थर्मोडायनामिक के उपयोग पर आधारित होती हैंचक्र जो वाष्पीकरण प्रक्रिया के थैलेपी के तापमान के व्युत्पन्न के माध्यम से एक आदर्श गैस की गर्मी क्षमता से तरल में पारित करना संभव बनाता है।
समाधान के मामले में, एक योगात्मक कार्य के रूप में ताप क्षमता की गणना की अनुमति नहीं है, क्योंकि समाधान की गर्मी क्षमता का अतिरिक्त मूल्य मूल रूप से महत्वपूर्ण है।
इसका मूल्यांकन करने के लिए हमें समाधान के आणविक-सांख्यिकीय सिद्धांत की आवश्यकता है। थर्मोडायनामिक विश्लेषण में विषम प्रणालियों की ताप क्षमता की पहचान सबसे कठिन है।
निष्कर्ष
ऊष्मा क्षमता का अध्ययन आपको रासायनिक रिएक्टरों के साथ-साथ अन्य रासायनिक उत्पादन उपकरणों में होने वाली प्रक्रियाओं के ऊर्जा संतुलन की गणना करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, इष्टतम प्रकार के शीतलक के चयन के लिए यह मान आवश्यक है।
वर्तमान में, विभिन्न तापमान अंतरालों के लिए पदार्थों की ऊष्मा क्षमता का प्रायोगिक निर्धारण - निम्न मूल्यों से लेकर उच्च मूल्यों तक - किसी पदार्थ की थर्मोडायनामिक विशेषताओं को निर्धारित करने का मुख्य विकल्प है। किसी पदार्थ की एन्ट्रापी और एन्थैल्पी की गणना करते समय, ऊष्मा धारिता समाकलकों का उपयोग किया जाता है। एक निश्चित तापमान सीमा में रासायनिक अभिकर्मकों की गर्मी क्षमता के बारे में जानकारी आपको प्रक्रिया के थर्मल प्रभाव की गणना करने की अनुमति देती है। समाधानों की ताप क्षमता की जानकारी विश्लेषण किए गए अंतराल के भीतर किसी भी तापमान मान पर उनके थर्मोडायनामिक मापदंडों की गणना करना संभव बनाती है।
उदाहरण के लिए, एक तरल को संभावित ऊर्जा के मूल्य को बदलने के लिए गर्मी के हिस्से के खर्च की विशेषता हैप्रतिक्रिया करने वाले अणु। इस मान को "कॉन्फ़िगरेशन" ताप क्षमता कहा जाता है, जिसका उपयोग समाधानों का वर्णन करने के लिए किया जाता है।
किसी पदार्थ की थर्मोडायनामिक विशेषताओं, उसके एकत्रीकरण की स्थिति को ध्यान में रखे बिना पूर्ण गणितीय गणना करना मुश्किल है। इसीलिए तरल पदार्थ, गैसों, ठोस पदार्थों के लिए विशिष्ट ऊष्मा क्षमता जैसी विशेषता का उपयोग किया जाता है, जिससे किसी पदार्थ के ऊर्जा मापदंडों को चिह्नित करना संभव हो जाता है।
