熱容量 は、物質の温度を摂氏1度上げるために、物質にどれだけの熱を加える必要があるかを表す物理学の用語です。 これは、に関連していますが、それとは異なります。 比熱、これは、物質の正確に1グラム（またはその他の固定された質量単位）を摂氏1度上げるのに必要な熱量です。 物質の比熱Sから物質の熱容量Cを導き出すには、その量を掛けるだけです。 存在する物質の、そしてあなたが全体を通して同じ質量の単位を使用していることを確認する 問題。 熱容量は、簡単に言えば、熱エネルギーの追加によって暖められることに抵抗するオブジェクトの能力の指標です。
物質は、固体、液体、または気体として存在する可能性があります。 ガスの場合、熱容量は周囲圧力と周囲温度の両方に依存する可能性があります。 科学者は、一定の圧力でのガスの熱容量を知りたいことがよくありますが、温度などの他の変数は変更できます。 これはCとして知られていますp. 同様に、一定の体積でのガスの熱容量、またはCを決定することは有用かもしれません。v. Cの比率p Cへv ガスの熱力学的特性に関する重要な情報を提供します。
熱力学の科学
熱容量と比熱の議論に着手する前に、最初に熱伝達の基本を理解することは有用です 物理学、および一般的な熱の概念で、そして分野の基本的な方程式のいくつかに精通してください。
熱力学 システムの仕事とエネルギーを扱う物理学の一分野です。 仕事、エネルギー、熱はすべて、意味や用途が異なるにもかかわらず、物理学では同じ単位を持っています。 SI（標準国際）熱の単位はジュールです。 仕事は力に距離を掛けたものとして定義されるため、これらの各量のSI単位に注目すると、ジュールはニュートンメートルと同じものになります。 熱で遭遇する可能性のある他の単位には、カロリー（cal）、英国熱量単位（btu）、およびergが含まれます。 （食品栄養表示に表示される「カロリー」は実際にはキロカロリーであり、「キロ-」はギリシャ語の接頭辞で「千」を意味することに注意してください。 したがって、たとえば、12オンスの炭酸飲料缶に120の「カロリー」が含まれていることを観察すると、これは実際には正式な物理的用語で120,000カロリーに相当します。）
気体は液体や固体とは異なる動作をします。 したがって、空気力学および関連分野の世界の物理学者は、仕事での空気やその他のガスの挙動に自然に非常に関心を持っています。 高速エンジンと飛行機械では、熱容量と、これに関連するその他の定量化可能な物理的パラメータについて特別な懸念があります。 状態。 一例は
エンタルピー、これは閉鎖系の内部熱の尺度です。 これは、システムのエネルギーとその圧力と体積の積の合計です。H = E + PV
より具体的には、エンタルピーの変化は、次の関係によってガス量の変化に関連しています。
∆H = E + P∆V
ギリシャ語の記号∆、またはデルタは、物理学と数学の慣習により「変化」または「違い」を意味します。 さらに、圧力と体積の積が作業単位を与えることを確認できます。 圧力はニュートン/ mで測定されます2、体積はmで表すことができますが3.
また、ガスの圧力と体積は次の方程式によって関連付けられます。
PΔV=RΔT
ここで、Tは温度、Rはガスごとに異なる値を持つ定数です。
これらの方程式をメモリにコミットする必要はありませんが、後でCについての説明で再検討します。p およびCv.
熱容量とは何ですか？
前述のように、熱容量と比熱は関連する量です。 最初のものは実際には2番目のものから生じます。 比熱は状態変数です。つまり、比熱は物質の固有の特性にのみ関係し、存在する量には関係しません。 したがって、単位質量あたりの熱として表されます。 一方、熱容量は、問題の物質のどれだけが熱伝達を受けているかに依存し、状態変数ではありません。
すべての物質にはそれに関連する温度があります。 これは、オブジェクトに気付いたときに最初に頭に浮かぶことではないかもしれませんが（「その本はどれくらい暖かいのだろうか？」）、途中であなたは持っているかもしれません 科学者たちは苦しんで来たものの、どのような条件下でも絶対零度を達成することはできなかったことを学びました 閉じる。 （人々がそのようなことを目指す理由は、非常に冷たい材料の非常に高い導電特性と関係があります。 実質的に抵抗のない物理的な電気導体の値を考えてみてください。）温度は分子の動きの尺度です。 固体材料では、物質は格子またはグリッドに配置され、分子は自由に動き回ることができません。 液体中では、分子はより自由に動くことができますが、それでもかなりの程度拘束されています。 気体中では、分子は非常に自由に動き回ることができます。 いずれにせよ、低温は分子の動きがほとんどないことを意味することを覚えておいてください。
自分自身を含むオブジェクトをある物理的な場所から別の場所に移動したい場合、そのためにはエネルギーを消費するか、あるいは仕事をする必要があります。 起き上がって部屋を横切って歩くか、車のアクセルペダルを踏んでエンジンに燃料を強制的に通し、車を強制的に動かす必要があります。 同様に、ミクロレベルでは、分子を動かすためにシステムへのエネルギーの入力が必要です。 このエネルギーの入力が分子運動の増加を引き起こすのに十分である場合、上記の議論に基づいて、これは必然的に物質の温度も上昇することを意味します。
一般的な物質が異なれば、比熱の値も大きく異なります。 たとえば、金属の場合、金は0.129 J / g°Cでチェックインします。つまり、1グラムの金の温度を摂氏1度上げるには、0.129ジュールの熱で十分です。 質量は比熱単位の分母ですでに考慮されているため、この値は存在する金の量に基づいて変化しないことを忘れないでください。 すぐにわかるように、これは熱容量には当てはまりません。
熱容量：簡単な計算
入門物理学の多くの学生は、水の比熱4.179が一般的な金属の比熱よりもかなり高いことに驚いています。 （この記事では、比熱のすべての値はJ / g°Cで示されています。）また、氷の熱容量2.03は、両方ともHで構成されていますが、水の熱容量の半分未満です。2O。 これは、分子構成だけでなく、化合物の状態が比熱の値に影響を与えることを示しています。
いずれにせよ、150 gの鉄（比熱またはSが0.450）の温度を5℃上げるのに必要な熱量を決定するように求められたとします。 これについてどうしますか？
計算は非常に簡単です。 比熱Sに材料の量と温度の変化を掛けます。 S = 0.450 J / g°Cであるため、Jに追加する必要のある熱量は（0.450）（g）（ΔT）=（0.450）（150）（5）= 337.5Jです。 これを表現する別の方法は、150gの鉄の熱容量が67.5Jであると言うことです。これは、比熱Sに存在する物質の質量を掛けたものにすぎません。 明らかに、液体の水の熱容量は特定の温度で一定ですが、 五大湖の1つを、1パイントの水を1度、または10度、さらには10度温めるよりも10分の1度温めます。 50.
Cp対Cv比γとは何ですか？
前のセクションでは、ガスの偶発的な熱容量、つまり、次のような熱容量値の概念を紹介しました。 温度（T）または圧力（P）のいずれかが全体を通して一定に保たれている条件下で、特定の物質に適用されます。 問題。 また、基本方程式∆H = E + P∆VおよびP∆V = R∆Tも与えられました。
後者の2つの方程式から、エンタルピーの変化を表す別の方法∆Hは次のようになります。
E + R∆T
ここでは導出は提供されていませんが、熱力学の第1法則を表現する1つの方法は、 閉鎖系で、「エネルギーは生成も破壊もされない」と口語的に述べられているのを聞いたことがあるかもしれません。 は：
∆E = Cv∆T
平易な言葉で言えば、これは、ガスを含むシステムに一定量のエネルギーが追加され、そのガスの体積が変化しない場合を意味します（Cの添え字Vで示されます）v）、その温度は、そのガスの熱容量の値に正比例して上昇する必要があります。
これらの変数の間には、一定の圧力Cでの熱容量の導出を可能にする別の関係が存在します。p、 一定のボリュームではなく。 この関係は、エンタルピーを説明する別の方法です。
∆H = Cp∆T
あなたが代数に長けているなら、あなたはCの間の重要な関係に到達することができますv およびCp:
Cp = Cv + R
つまり、一定の圧力でのガスの熱容量は、精査中のガスの比熱に関連する一定のRだけ、一定の体積での熱容量よりも大きくなります。 これは直感的に理解できます。 内圧の上昇に応じてガスが膨張することを想像すると、おそらくあなたは知覚することができます 同じエネルギーに限定されている場合よりも、与えられたエネルギーの追加に応じてウォームアップする必要が少なくなること スペース。
最後に、このすべての情報を使用して、Cの比率である別の物質固有の変数γを定義できます。p Cへv、またはCp/ Cv. 前の式から、この比率はRの値が高いガスで増加することがわかります。
空気のCpとCv
Cp およびCv 空気（主に窒素と酸素の混合物からなる）は人間が経験する最も一般的なガスであるため、流体力学の研究では両方とも空気の量が重要です。 両方Cp およびCv 温度に依存し、正確には同じ程度ではありません。 たまたま、Cv 温度の上昇とともにわずかに速く上昇します。 これは、「一定の」γが実際には一定ではないことを意味しますが、予想される温度の範囲全体で驚くほど近いです。 たとえば、300度ケルビンまたはK（27 Cに等しい）では、γの値は1.400です。 温度が400K、つまり127 Cで、水の沸点をかなり上回っている場合、γの値は1.395です。