基本介紹
- 中文名:氣體比熱容
- 外文名:Gas specific heat capacity
- 性質:物理詞條
- 實質:描述氣體體系溫度變化特性
- 作用:更好描述物理性質
介紹
對理想氣體,根據熱力學公式即可求得定壓熱容CP0。
分子由原子組成,原子由原子核和核外電子組成,配分函式的分子能級εi中應包含這些組成因素。原子核由於自旋方位不同的各態之間能量差,在產生原子光譜中是一種超精細結構,且核自旋同電子殼層的相互作用極其微弱,所以其影響在熱力學過程中一般可以忽略。電子則由於所處的最低能級同最鄰近的次高能級之差遠比nT為大,激發它很困難,當溫度改變時,它仍處在基態,對於熱容就沒有貢獻。在不考慮具有核衰變的原子的情況下,配分函式公式中的εi只有分子作為整體的質心平動、整體的轉動和內部原子間的相對振動這三部分的能量。①平動部分。平動能級的相對間距微不足道,分子作熱運動時總可看作是連續的,所以平動部分對熱容的貢獻可用能量均分定理來處理。分子的平動自由度對定容熱容的貢獻是而定容摩爾比熱容是(以下均指定容摩爾比熱容),R是摩爾氣體常數。②轉動部分。組成多原子分子的原子愈重或數量愈多,轉動慣量就愈大,轉動的量子效應也就愈顯現不出來。一般只考慮低溫下較輕雙原子分子氣體轉動的量子性;其他多原子分子或重原子的雙原子分子一般可作經典處理。③振動部分。絕大多數的多原子分子在常溫下振動能級間距比熱運動能量kT大得多,也不容易激發它參與熱運動,所以對比熱容也沒有貢獻;只有在高溫時才有貢獻;溫度再高時可作經典處理。事實上,多於兩個原子組成的氣體分子幾乎都不可能達到經典處理時的溫度,因為這時多原子分子已經分解了。
經典統計處理
量子統計處理
② 振動部分。由於原子之間通過化學鍵耦合得很強,所以內部原子的相對振動不屬於哪一個原子,而是N個原子集體的振動模式,故有3N-5或3N-6個自由度,也就有那么多的簡正振動。每一種簡正振動α(α=1,2,...,3N-5或3N-6)有它自己的振動頻率vα,若某些頻率一樣,則頻率是簡併的。在簡諧近似下,簡正振動都是獨立的,所以振動能量就是各個振動能量之和:
nα是屬於簡正振動α的振動量子數(nα=0,1,2,...),而配分函式從而求得摩爾比熱容對於雙原子分子氣體,只有一個振動自由度(vα=v)。同樣引入振動特徵溫度則在T>>θ時,Cv=R,同經典結果一樣而在Tθ時,可得,隨著溫度的降低而Cv振→0。圖2描繪了雙原子分子氣體Cv振/R依賴於T/θ振的關係。 對於非理想氣體,則由於分子之間存在相互作用,摩爾比熱容還與氣體濃度和相互作用勢的形式有關。