8.3.1 热容与摩尔热容
Section titled “8.3.1 热容与摩尔热容”热容:系统在某一无限小过程中吸收的热量 dQ 与温度变化量 dT 的比值称为系统在该过程的热容(C),即
C = frac d Qd T (8.13)它表示在该过程中,温度升高 1 K 时系统所吸收的热量,单位是 J/K. 单位质量的热容叫作比热容(c), 单位为 J/(K · kg),由物质和过程决定其值.热容与比热容的关系 为 C = Mc . 摩尔热容: 1 mol 物质的热容叫作摩尔热容 (Cₘ) ,单位为 J/(mol·K). 热容与摩尔热容的关系为 C = fracMMₘol Cₘ ,式中,M 为物质的质量, Mₘol 为物质的摩尔质量.比值 fracMMₘol 为对应的物质的量.由定义可知,不论是热容还是比热容,均是过程量.对于给定的系统(物质),进行的过程不同,其热容也不同.对于理想气体,最常用的是等容过程的摩尔热容和等压过程的摩尔热容.固体或液体也有这两种热容,但由于它们的体胀系数比气体的小得多,因膨胀而对外所做的功可以忽略不计,所以这两种热容实际差值很小,一般不予区别.
8.3.2 理想气体的摩尔热容
Section titled “8.3.2 理想气体的摩尔热容”1. 理想气体的定容摩尔热容
Section titled “1. 理想气体的定容摩尔热容”1 mol气体在等容过程中吸收的热量 dQ_(V) 与温度的变化量dT之比为定容摩尔热容,即
C _ V. m = frac d Q _ Vd T由等容过程知 dQ_(V) = dE ,所以有
C _ V, m = frac d Ed T (8.14)对于理想气体,有 dE = i/2 RdT ,代入式(8.14),得理想气体的定容摩尔热容为
C _ V, m = frac i2 R (8.15)式中,i 为分子自由度;R 为普适气体常量。因此,理想气体的定容摩尔热容只与分子自由度有关,而与气体的状态 (p, T) 无关。对于单原子理想气体, i = 3, C_(V,m) = 3/2 R ;对于刚性双原子气体, i = 5, C_(V,m) = 5/2 R ;对于刚性多原子气体, i = 6, C_(V,m) = 3R 。 依式 (8.15) ,理想气体的内能表达式又可以写为
E = frac MM _ mol C _ V, m T (8.16)2. 理想气体的定压摩尔热容
Section titled “2. 理想气体的定压摩尔热容”1 mol 气体在等压过程中吸收的热量 dQₚ 与温度的变化量 dT 之比为定压摩尔热容,即
C _ p, m = frac d Q _ pd T由定压过程知 dQₚ = dE + pdV ,所以
C _ p, m = frac d Ed T + p frac d Vd T对于理想气体,因为 dE = C_(V,m)dT 及定压过程 p dV = R dT,所以有
C _ p, m = C _ V, m + R (8.17)式(8.17)叫作迈耶(Mayer)公式,表示1 mol理想气体的定压摩尔热容比定容摩尔热容大一个恒量R.也就是说,在等压过程中,温度升高1 K时,1 mol理想气体比在等容过程中多吸收8.31 J的热量,用来转化为膨胀时对外界做的功.
3. 摩尔热容比
Section titled “3. 摩尔热容比”系统的定压摩尔热容 Cₚ,m 与定容摩尔热容 C_(V,m) 的比值,称为系统的摩尔热容比,以 γ 表示。工程上称它为绝热系数,即
γ = frac C _ p , mC _ V , m由于 Cₚ,m > C_(V,m) ,所以 γ > 1 对于理想气体,Cₚ,m=C_(V,m)+R,C_(V,m)=i/2R,所以有
γ = frac C _ V , m + RC _ V , m = frac frac i2 R + Rfrac i2 R = frac i + 2i (8.18)式(8.18)说明,理想气体的摩尔热容比,只与分子的自由度有关,而与气体的状态无关.对于单原子气体,γ=5/3=1.67 ;对于双原子(刚性)气体,γ=7/5=1.40 ;对于多原子(刚性)气体,γ=8/6=1.33 . 从表8.1可以看出:①各种气体的 (Cₚ,m - C_(V,m)) 值都接近于 R 值;②室温下单原子及双原子气体的 Cₚ,m, C_(V,m), γ 的实验数据与理论值相近。这说明经典热容理论近似地反映了客观事实。但是,对分子结构较为复杂的气体,如三原子及以上的多原子气体,其理论值与实验数据显然不等。另外,表8.2给出了不同温度下双原子分子气体的定容摩尔热容的实验数据。由表8.2可见, C_(V,m) 是温度的函数而不是定值。这是因为经典理论只是近似理论,要用量子理论才能正确解决问题,在此不作深入讨论。 表 8.1 气体摩尔热容的实验数据 (室温)
| 气体种类 | Cₚ,m / (J·mol⁻1·K⁻1) | C_(V,m) / (J·mol⁻1·K⁻1) | Cₚ,m-C_(V,m) / (J·mol⁻1·K⁻1) | γ=fracCₚ,mC_(V,m) | |
| 单原子 | 氦 | 20.9 | 12.5 | 8.4 | 1.67 |
| 氩 | 21.2 | 12.5 | 8.7 | 1.70 | |
| 双原子 | 氢 | 28.8 | 20.4 | 8.4 | 1.41 |
| 氮 | 28.6 | 20.4 | 8.2 | 1.40 | |
| 一氧化碳 | 29.0 | 20.7 | 8.3 | 1.40 | |
| 氧 | 29.4 | 21.0 | 8.4 | 1.40 | |
| 多原子 | 水蒸气 | 36.2 | 27.8 | 8.4 | 1.31 |
| 甲烷 | 35.6 | 27.2 | 8.4 | 1.31 | |
| 氯仿 | 72.0 | 63.7 | 8.3 | 1.13 | |
| 乙醇 | 87.5 | 79.2 | 8.3 | 1.10 | |
表 8.2 不同温度下双原子气体定容摩尔热容的实验数据
| 气体/K | 273 | 373 | 473 | 773 | 1 473 | 2 273 |
| C_(V.m)/ (J · mol⁻1 · K⁻1) | 20.3 | 20.3 | 21.0 | 22.4 | 24.1 | 26.0 |