열용량 섭씨 1도까지 온도를 높이기 위해 물질에 얼마나 많은 열을 추가해야 하는지를 나타내는 물리학 용어입니다. 이것은 관련이 있지만 구별됩니다. 비열, 물질의 정확히 1g (또는 다른 고정 된 질량 단위)을 섭씨 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 물질의 열용량 C를 비열 S에서 도출하는 것은 양을 곱하는 문제입니다. 존재하는 물질의 전체에 걸쳐 동일한 질량 단위를 사용하고 있는지 확인하십시오. 문제. 간단히 말해서 열용량은 열 에너지의 추가에 의해 따뜻해지는 것에 저항하는 물체의 능력의 지표입니다.
물질은 고체, 액체 또는 기체로 존재할 수 있습니다. 가스의 경우 열용량은 주변 압력과 주변 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 과학자들은 종종 일정한 압력에서 가스의 열용량을 알고 싶어하지만 온도와 같은 다른 변수는 변할 수 있습니다. 이것은 C로 알려져 있습니다피. 마찬가지로, 일정한 부피 또는 C에서 가스의 열용량을 결정하는 것이 유용 할 수 있습니다.V. C의 비율피 C로V 가스의 열역학적 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다.
열역학의 과학
열용량과 비열에 대한 논의를 시작하기 전에 먼저 열전달의 기본을 이해하는 것이 좋습니다. 물리학에서, 일반적으로 열의 개념을 배우고 학문의 기본 방정식 중 일부에 익숙해집니다.
열역학 시스템의 일과 에너지를 다루는 물리학의 한 분야입니다. 일, 에너지 및 열은 모두 다른 의미와 응용을 가지고 있음에도 불구하고 물리학에서 동일한 단위를 갖습니다. SI (표준 국제) 열 단위는 줄입니다. 일은 힘에 거리를 곱한 것으로 정의되므로 이러한 각 수량에 대한 SI 단위를 살펴보면 줄은 뉴턴 미터와 동일합니다. 열로 인해 발생할 가능성이있는 다른 단위로는 칼로리 (cal), 영국식 열 단위 (btu) 및 에르그가 있습니다. (식품 영양 라벨에 표시되는 "칼로리"는 실제로 킬로 칼로리입니다. "kilo-"는 "천"을 나타내는 그리스어 접두사입니다. 따라서 12 온스의 탄산 음료 캔에 120 개의 "칼로리"가 포함되어 있다는 사실을 관찰하면 실제로 공식적인 물리적 용어로 120,000 칼로리와 같습니다.)
기체는 액체 및 고체와 다르게 행동합니다. 따라서 공기 역학 및 관련 분야의 물리학 자들은 자연적으로 작업에서 공기 및 기타 가스의 행동에 매우 관심이 있습니다. 고속 엔진 및 비행 기계의 경우 열용량 및 기타 정량화 가능한 물리적 매개 변수에 대한 특별한 우려가 있습니다. 상태. 한 가지 예는 엔탈피, 폐쇄 시스템의 내부 열을 측정합니다. 시스템의 에너지에 압력과 부피의 곱을 더한 것입니다.
H = E + PV
보다 구체적으로, 엔탈피의 변화는 다음 관계에 의한 가스 부피 변화와 관련이 있습니다.
∆H = E + P∆V
그리스 기호 ∆ 또는 델타는 물리학 및 수학에서 관례 상 "변화"또는 "차이"를 의미합니다. 또한 압력 곱하기 부피가 작업 단위를 제공하는지 확인할 수 있습니다. 압력은 뉴턴 / m 단위로 측정됩니다.2, 부피는 m으로 표현할 수 있습니다.3.
또한 가스의 압력과 부피는 다음 방정식과 관련이 있습니다.
P∆V = R∆T
여기서 T는 온도이고 R은 각 가스에 대해 다른 값을 갖는 상수입니다.
이 방정식을 기억할 필요는 없지만 나중에 C에 대한 토론에서 다시 검토 할 것입니다.피 그리고 CV.
열용량이란?
언급했듯이 열용량과 비열은 관련 수량입니다. 첫 번째는 실제로 두 번째에서 발생합니다. 비열은 상태 변수입니다. 즉, 물질의 내재적 특성에만 관련되고 물질의 양과 관련이 없습니다. 따라서 단위 질량 당 열로 표현됩니다. 반면 열용량은 문제의 물질이 얼마나 열전달을 받고 있는지에 따라 달라지며 상태 변수가 아닙니다.
모든 물질에는 그와 관련된 온도가 있습니다. 물체를 발견했을 때 가장 먼저 떠오르는 것이 아닐 수도 있지만 ( "저 책이 얼마나 따뜻한 지 궁금 해요?") 과학자들은 어떤 조건에서도 절대 영도에 도달하지 못했다는 것을 알게되었습니다. 닫기. (사람들이 그렇게하려고하는 이유는 극도로 차가운 물질의 극도로 높은 전도도 특성 때문입니다. 저항이 거의없는 물리적 전기 전도체의 가치를 생각해보십시오.) 온도는 분자 운동의 척도입니다. 고체 물질에서 물질은 격자 또는 격자로 배열되며 분자는 자유롭게 움직일 수 없습니다. 액체에서 분자는 더 자유롭게 움직일 수 있지만 여전히 상당히 제한되어 있습니다. 기체에서 분자는 매우 자유롭게 움직일 수 있습니다. 어쨌든 저온은 분자 이동이 거의 없다는 것을 기억하십시오.
자신을 포함한 물체를 한 물리적 위치에서 다른 위치로 이동하려면 에너지를 소비해야합니다. 그렇지 않으면 작업을 수행해야합니다. 일어나서 방을 가로 질러 걸어야하거나 자동차의 가속 페달을 밟아 엔진을 통해 연료를 공급하고 자동차가 움직 이도록해야합니다. 마찬가지로 미시적 수준에서 분자를 움직이려면 시스템에 에너지를 입력해야합니다. 이 에너지 입력이 분자 운동을 증가시키기에 충분하다면, 위의 논의를 바탕으로 이것은 물질의 온도도 증가한다는 것을 반드시 의미합니다.
일반적인 물질마다 비열 값이 매우 다양합니다. 예를 들어, 금속 중에서 금은 0.129 J / g ° C에서 체크인합니다. 즉, 0.129 줄의 열로 금 1g의 온도를 섭씨 1도까지 올릴 수 있습니다. 질량이 이미 특정 열 단위의 분모로 설명되어 있기 때문에이 값은 존재하는 금의 양에 따라 변경되지 않습니다. 곧 알게 될 열용량은 그렇지 않습니다.
열용량: 간단한 계산
물의 비열 4.179가 일반 금속의 열보다 상당히 높다는 사실은 입문 물리학의 많은 학생들을 놀라게합니다. (이 기사에서 모든 비열 값은 J / g ° C로 표시됩니다.) 또한 얼음의 열용량 2.03은 둘 다 H로 구성되어 있지만 물의 열용량의 절반 미만입니다.2영형. 이것은 분자 구성뿐만 아니라 화합물의 상태가 비열 값에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
어쨌든 철 150g (비열 또는 S가 0.450)의 온도를 5 ° C 올리기 위해 필요한 열의 양을 결정해야한다고 가정 해 보겠습니다. 이것에 대해 어떻게 하시겠습니까?
계산은 매우 간단합니다. 비열 S에 재료의 양과 온도 변화를 곱하십시오. S = 0.450 J / g ° C이므로 J에 추가해야하는 열량은 (0.450) (g) (∆T) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J입니다. 이것을 표현하는 또 다른 방법은 150g의 철의 열용량이 67.5J이며, 이는 비열 S에 존재하는 물질의 질량을 곱한 것입니다. 분명히, 액체 물의 열용량이 주어진 온도에서 일정하더라도 훨씬 더 많은 열이 필요합니다. 오대호 중 하나를 1 파인트의 물을 1도 또는 10도까지 데울 때보 다 10 분의 1도 정도 따뜻하게합니다. 50.
Cp 대 Cv 비율 γ는 무엇입니까?
이전 섹션에서 가스에 대한 조건부 열 용량에 대한 개념을 소개했습니다. 즉, 온도 (T) 또는 압력 (P)이 전체 기간 동안 일정하게 유지되는 조건에서 주어진 물질에 적용 문제. 또한 기본 방정식 ∆H = E + P∆V 및 P∆V = R∆T가 주어졌습니다.
후자의 두 방정식에서 엔탈피의 변화를 표현하는 또 다른 방법 인 ∆H는 다음과 같습니다.
E + R∆T
여기서 파생 된 내용은 없지만 열역학 제 1 법칙을 표현하는 한 가지 방법은 다음과 같습니다. 폐쇄 형 시스템과 "에너지는 생성되지도 파괴되지도 않는다"라고 구어체로 말했을 수도 있습니다. is :
∆E = CV∆T
평범한 언어로 이것은 가스를 포함한 시스템에 일정량의 에너지가 추가되고 해당 가스의 부피가 변경되지 않을 때 (C에서 아래 첨자 V로 표시됨)V) 온도는 가스의 열용량 값에 정비례하여 상승해야합니다.
일정한 압력에서 열용량을 유도 할 수있는 또 다른 관계가 있습니다.피, 일정한 볼륨보다는. 이 관계는 엔탈피를 설명하는 또 다른 방법입니다.
∆H = C피∆T
대수학에 능숙하다면 C 사이의 중요한 관계에 도달 할 수 있습니다.V 그리고 C피:
씨피 = CV + R
즉, 일정한 압력에서 가스의 열용량은 정밀 조사에서 가스의 특정 특성과 관련된 일정한 R만큼 일정한 부피에서의 열용량보다 큽니다. 이것은 직관적으로 이해됩니다. 내부 압력이 증가함에 따라 가스가 팽창 할 수 있다고 상상한다면 아마도 주어진 에너지 추가에 대한 반응으로 예열해야 할 것입니다. 우주.
마지막으로이 모든 정보를 사용하여 C의 비율 인 다른 물질 별 변수 γ를 정의 할 수 있습니다.피 C로V, 또는 C피/씨V. 이전 방정식에서 R 값이 높은 기체에 대해이 비율이 증가 함을 알 수 있습니다.
공기의 Cp와 Cv
C피 그리고 CV 공기 (대부분 질소와 산소의 혼합물로 구성됨)는 인간이 경험하는 가장 일반적인 가스이기 때문에 유체 역학 연구에서 공기의 두 가지 모두 중요합니다. 둘 다 C피 그리고 CV 온도에 따라 다르며 정확히 같은 정도는 아닙니다. 그것이 일어나는대로, CV 온도가 상승함에 따라 약간 빠르게 상승합니다. 이것은 "일정한"γ가 실제로 일정하지 않지만 예상되는 온도 범위에서 놀랍게도 가깝다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 켈빈 300도 또는 K (27C와 같음)에서 γ 값은 1.400입니다. 127C이고 물의 끓는점보다 상당히 높은 400K의 온도에서 γ 값은 1.395입니다.