![[열역학] 2편. 열 vs 온도, 열용량, 비열 (기초개념)](https://i.ytimg.com/vi/9pIuyWmqWc0/hqdefault.jpg)
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열용량 물리학에서 용어는 온도를 섭씨 1도 올리려면 물질에 얼마나 많은 열을 가해 야하는지 설명합니다. 이것은 관련이 있지만 이와는 다릅니다. 비열이는 물질의 정확한 1 그램 (또는 다른 고정 된 질량 단위)을 섭씨 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 비열 S로부터 물질 열용량 C를 도출하는 것은 존재하는 물질의 양을 곱하여 문제 전체에 걸쳐 동일한 질량 단위를 사용하는 것입니다. 일반적으로 열 용량은 열 에너지의 추가로 인해 온난화에 저항 할 수있는 물체의 지수입니다.
물질은 고체, 액체 또는 기체로 존재할 수 있습니다. 가스의 경우 열용량은 주변 압력과 주변 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 과학자들은 일정한 압력에서 가스의 열용량을 알고 싶어하지만 온도와 같은 다른 변수는 변할 수 있습니다. 이것은 C로 알려져 있습니다피. 마찬가지로, 일정한 체적 또는 C에서 가스 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 물리학에서 열전달의 기초와 일반적인 열 개념을 이해하고 징계의 기본 방정식에 익숙해지는 것이 유용합니다.
열역학 시스템의 일과 에너지를 다루는 물리학의 한 분야입니다. 작업, 에너지 및 열은 다른 의미와 적용에도 불구하고 물리학에서 동일한 단위를가집니다. SI (국제 표준) 열 단위는 줄입니다. 작업은 거리를 곱한 힘으로 정의되므로 이러한 각 수량에 대해 SI 단위를 주시하면 줄은 뉴턴 미터와 동일합니다. 열로 인해 발생할 수있는 다른 단위로는 칼로리 (cal), 영국식 열 단위 (btu) 및 에르그가 있습니다.(식품 영양 표시에서 볼 수있는 "칼로리"는 실제로 킬로 칼로리이며, "킬로-"는 "1 천"을 나타내는 그리스어 접두어입니다. 따라서, 12 온스 음료수 캔에는 120 " 칼로리 ", 이는 공식적인 물리적 용어로 실제로 120,000 칼로리와 같습니다.)
가스는 액체 및 고체와 다르게 작동합니다. 따라서 공기 역학 및 관련 분야의 물리학자는 고속 엔진 및 비행 기계 작업에서 공기 및 기타 가스의 행동에 자연스럽게 매우 관심이 있으며 열 용량 및 기타 수량화 가능한 물리적 매개 변수에 대해 특별한 관심을 가지고 있습니다. 이 상태에서 중요합니다. 한 가지 예는 엔탈피폐쇄 시스템의 내부 열을 측정 한 것입니다. 그것은 시스템 에너지와 압력 및 부피의 곱의 합입니다.
H = E + PV
더 구체적으로, 엔탈피의 변화는 다음 관계에 의한 가스 부피의 변화와 관련이 있습니다.
∆H = E + P∆V
그리스 기호 ∆ 또는 델타는 물리학 및 수학의 규칙에 따라 "변화"또는 "차이"를 의미합니다. 또한 압력 시간 볼륨이 작업 단위를 제공하는지 확인할 수 있습니다. 압력은 뉴턴 / m로 측정됩니다2부피는 m으로 표현 될 수 있지만3.
또한 가스의 압력과 부피는 다음 방정식으로 관련됩니다.
P∆V = R∆T
여기서 T는 온도이고 R은 각 가스마다 다른 값을 갖는 상수입니다.
이 방정식을 메모리에 커밋 할 필요는 없지만 나중에 C에 대한 토론에서 다시 방문합니다.피 그리고 CV.
열용량이란?
언급 된 바와 같이, 열 용량 및 비열은 관련 수량이다. 첫 번째는 실제로 두 번째에서 발생합니다. 비열은 상태 변수로, 물질의 본질적 특성에만 관련되며 물질의 존재 량과는 관련이 없습니다. 따라서 단위 질량 당 열로 표시됩니다. 반면에 열용량은 문제의 물질이 열전달을받는 양에 따라 달라지며 상태 변수가 아닙니다.
모든 물질은 온도와 관련이 있습니다. 이것은 물체를 발견했을 때 가장 먼저 떠오르는 것이 아닐 수도 있지만 ( "저 책이 얼마나 따뜻 할까?") 과학자들은 절대 온도가 절대 0에 도달하지 못했다는 것을 알게 될 것입니다 어떤 조건하에서든, 그들은 고통스럽게 가까이 왔습니다. (사람들이 그런 일을하려는 이유는 극도로 차가운 물질의 매우 높은 전도도 속성과 관련이 있습니다. 실제로 저항이없는 물리적 전기 전도체의 가치를 생각하십시오.) 온도는 분자의 운동의 척도입니다 . 고체 물질에서 물질은 격자 또는 격자로 배열되며 분자는 자유롭게 움직일 수 없습니다. 액체에서 분자는 더 자유롭게 움직일 수 있지만 여전히 크게 제한되어 있습니다. 가스에서 분자는 매우 자유롭게 움직일 수 있습니다. 어쨌든 저온은 분자 운동이 거의 없음을 기억하십시오.
자신을 포함한 물체를 한 물리적 위치에서 다른 물리적 위치로 옮기려면 에너지를 소비하거나 다른 방법으로 작업을 수행해야합니다. 일어나서 방을 가로 질러 걸어 가거나 자동차의 가속 페달을 눌러 엔진을 통해 연료를 강제로 이동시키고 자동차를 강제로 움직여야합니다. 유사하게, 마이크로 레벨에서, 분자가 움직이게하려면 시스템으로의 에너지 입력이 필요합니다. 이러한 에너지의 입력이 분자 운동의 증가를 유발하기에 충분하다면, 상기 논의에 기초하여, 이것은 반드시 물질의 온도 또한 증가 함을 의미한다.
다른 일반적인 물질은 비열의 값이 다양합니다. 예를 들어, 금속 중에서 금은 0.129 J / g ° C에서 체크인하는데, 이는 0.129 줄의 열이 1 그램의 금 온도를 섭씨 1도 올리는데 충분하다는 것을 의미합니다. 이 값은 존재하는 금의 양에 따라 변하지 않습니다. 질량은 이미 특정 열 단위의 분모를 설명하기 때문입니다. 곧 알 수 있듯이 열용량은 그렇지 않습니다.
열용량 : 간단한 계산
입문 물리학의 많은 학생들이 4.179의 물의 열이 일반적인 금속의 열보다 상당히 높다는 사실에 놀랍습니다. (이 기사에서 비열의 모든 값은 J / g ° C로 표시됩니다.) 또한 얼음의 열용량은 2.03이며 물은 H로 구성되어 있지만 물의 절반보다 적습니다.2O. 이것은 분자 구성뿐만 아니라 화합물의 상태가 비열의 가치에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
어쨌든 철 150g (비열 또는 S가 0.450 인) 150g의 온도를 5 ℃ 올리려면 얼마나 많은 열이 필요한지 결정해야한다고 어떻게 말합니까?
계산은 매우 간단합니다. 비열 S에 재료의 양과 온도의 변화를 곱하십시오. S = 0.450 J / g ° C이므로 J에 추가해야하는 열량은 (0.450) (g) (∆T) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J입니다. 이것은 철 150g의 열용량이 67.5J이며, 이는 비열 S에 존재하는 물질의 질량을 곱한 것에 지나지 않습니다. 액체 온도는 일정 온도에서 일정하지만 물을 1도 정도 데우는 것보다 10 배 정도 큰 호수를 데 우려면 훨씬 더 많은 열이 필요합니다. 또는 10 또는 50
Cp 대 Cv 비율 γ 란 무엇입니까?
이전 섹션에서는 가스에 대한 우발적 인 열용량, 즉 온도 (T) 또는 압력 (P)이 일정하게 유지되는 조건에서 주어진 물질에 적용되는 열용량 값에 대한 아이디어를 소개했습니다. 문제 내내. 또한 기본 방정식 ∆H = E + P∆V 및 P∆V = R∆T가 주어졌습니다.
후자의 두 가지 방정식에서 엔탈피의 변화를 표현하는 또 다른 방법 인 ∆H는 다음과 같습니다.
E + R∆T
여기서는 어떠한 유도도 제공되지 않지만, 폐쇄 시스템에 적용되고 "에너지가 생성되거나 파괴되지 않는다"는 구어체로 들리는 열역학 제 1 법칙을 표현하는 한 가지 방법은 다음과 같습니다.
∆E = CV∆T
즉, 특정 양의 에너지가 가스를 포함하는 시스템에 추가되고 해당 가스의 부피가 변경되지 않는 경우 (C의 첨자 V로 표시됨)V)의 온도는 해당 가스의 열용량 값에 정비례해야합니다.
이 변수들 사이에는 일정한 압력 C에서 열용량을 유도 할 수있는 또 다른 관계가 있습니다.피, 일정한 양이 아니라 이 관계는 엔탈피를 설명하는 또 다른 방법입니다.
∆H = C피∆T
대수학에서 교묘 한 사람이라면 C 사이의 중요한 관계에 도달 할 수 있습니다V 과 씨피:
씨피 = CV + R
즉, 일정한 압력에서의 가스의 열용량은 정밀한 가스의 특정 특성과 관련된 일정한 R에 의해 일정한 부피에서의 열용량보다 크다. 이것은 직관적 인 의미가 있습니다. 내부 압력이 증가함에 따라 가스가 팽창하는 것을 상상한다면, 같은 공간에 갇혀있는 것보다 주어진 에너지의 추가에 반응하여 가스가 덜 예열되어야한다고 생각할 수 있습니다.
마지막으로이 정보를 모두 사용하여 다른 물질 별 변수 γ를 정의 할 수 있습니다. γ는 C의 비율입니다.피 C로V또는 C피/씨V. 이전 방정식에서이 비율이 R 값이 높은 가스에 대해 증가 함을 알 수 있습니다.
공기의 Cp와 Cv
C피 그리고 CV 공기 (주로 질소와 산소의 혼합물로 구성된)가 인간이 경험하는 가장 일반적인 가스이기 때문에 유체 역학 연구에서 공기 중 하나는 중요합니다. C피 그리고 CV 온도 의존적이며 정확히 같은 정도는 아닙니다. 그런대로, CV 온도가 상승함에 따라 약간 더 빠르게 상승합니다. 이것은 "일정한"γ가 실제로 일정하지는 않지만 놀랍게도 가능한 온도 범위에서 가깝다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 300도 켈빈 또는 K (27C와 동일)에서 γ 값은 1.400입니다. 127 ℃이고 물의 비점보다 상당히 높은 400K의 온도에서, γ의 값은 1.395이다.