ОП.03. Раздел 1. «Термодинамика»
Тема 1.2 «Основные законы термодинамики. Теплопередача»
Занятие №4. «Задачи термодинамики. Теплоемкость и способы ее определения»
Термодинамика представляет собой науку о взаимных превращениях различных видов энергии. Она не рассматривает вопросов, связанных с микрофизическим механизмом изучаемых явлений. Основу термодинамики составляют фундаментальные законы природы. Они называются законами или началами термодинамики. Благодаря высокой достоверности и независимости этих законов от свойств конкретных тел термодинамика успешно решает разнообразные задачи технического характера. На основе термодинамики разрабатывают новые и совершенствуют существующие тепловые машины и установки и создают высокоэффективные технологии, обеспечивающие экономное расходование энергетических и материальных ресурсов. Совокупность инженерных приложений термодинамики образует ее раздел, называемый технической термодинамикой.
Теплоемкость м способы ее определения. Для того чтобы два различныхвещества с одинаковой массой нагреть до одной и той же температуры, нужно затратить разнос количество теплоты Q. Дело в том, что каждое тело по-своему воспринимает теплоту. Например, для нагревания воды нужно затратить теплоты примерно в 9 раз больше, чем на нагревание до той же температуры такого же количества железа.
Теплоемкостью называют количество теплоты Q, необходимое для изменения температуры тела на 1°. Теплоемкость рассчитывают по следующей формуле:
где Δ Т — разность температур.
Теплоемкость не является постоянной величиной и в общем случае изменяется с изменением температуры и давления. Иногда эти изменения значительны, поэтому вводят понятия средней и истинной теплоемкости.
Средней теплоемкостью С ср в диапазоне температур от Т1 до Т2 называют количество теплоты Q, необходимое для повышения температуры тела на 1 °:
При уменьшении разности Δ Т средняя теплоемкость С ср приближается к истинной теплоемкости С
Теплоемкость зависит от количества вещества. Чем больше масса вещества, тем больше теплоты Q необходимо подвести, чтобы нагреть его до определенной температуры. Поэтому вводится понятие удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость бывает массовой, объемной и молярной.
Удельная массовая теплоемкость с — величина, равная количеству Q, необходимой для нагревания 1 кг вещества на 1°. Ее называют просто теплоемкостью. Она равна отношению теплоемкости однородного тела к его массе, т. е.
Объемной удельной теплоемкостью с′, 
, называют теплоемкость, равную количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 м3 рабочего тела на 1° при нормальных физических условиях:
Молекулярной удельной теплоемкостьюС μ, 
, называют теплоемкость, равную количеству теплоты, необходимой для нагревания I моль вещества на 1а:
Между теплоемкостями существует следующая зависимость:
где v 0 — удельный объем при нормальных физических условиях.
У газообразных тел в отличие от жидких и твердых теплоемкость в значительной степени зависит от условий, при которых к телу подводят (отводят) теплоту.
В теплотехнике большое значение имеют процессы, проходящие при постоянном объеме v = const и постоянном давлении р = const. Теплоемкость при v = const называется изохорной cv. Теплоемкость при р = const называется изобарной ср.
Связь между удельными массовыми теплоемкостями ср и cv выражается уравнением Майера:
Отношения
называются показателем адиабаты.
В приближенных расчетах можно считать:
- k = 1,67 для одноатомных газов;
- k = 1,4 для двухатомных газов;
- k = 1,29 для трех- и многоатомных газов.
Удельную массовую теплоемкость можно определить несколькими способами.
Первый способ. Если считают, что теплоемкость нелинейно зависит от температуры, то средние теплоемкости для интервала температур от 0 до t °С берут из таблицы, а средняя теплоемкость 
может быть определена по формуле
Второй способ. Для менее точных расчетов можно считать, что теплоемкость линейно зависит от температуры. Тогда можно воспользоваться эмпирическими формулами, которые выбираются из таблицы для конкретного газа:
где а — истинная теплоемкость при 0 t °С; b — тангенс угла наклона прямой, характеризующей изменение теплоемкости от температуры; с — истинная теплоемкость заданной температуры t. Средняя теплоемкость в диапазоне температур от t 1, до t2 равна
Третий способ. Для прикидочных расчетов можно считать, что теплоемкость не зависит от температуры, а зависит от атомности газов. В этом случае удельная массовая теплоемкость определяется по следующим формулам:
где сμv, сμp — соответственно удельные молярные теплоемкости при постоянном объеме и давлении для данного газа, которые определяется по таблице в зависимости от его атомности и типа процесса, ; — молярная масса газа, 
.
Вопросы и задания:
1. Что собой представляет и что рассматривает термодинамика?
2. Что составляет основу термодинамики?
3. Что разрабатывают на основе термодинамики?
4. Что называют теплоемкостью и по какой формуле ее рассчитывают? Указать все составляющие формулы.
5*. Что характерно для теплоемкости?
6. Что называют средней теплоемкостью и по какой формуле ее рассчитывают? Указать все составляющие формулы.
ИЛИ вместо вопросов 6, 8, 9, 10!
6*. Составить таблицу следующей формы:
Виды теплоемкостей
| № п.п. | Наименование теплоемкости и единица измерения | Формула для вычисления | Составляющие формулы (обозначение и наименование) |
7*. Что характерно для средней теплоемкости?
8. Что называют удельной массовой теплоемкостью и по какой формуле ее рассчитывают? Указать все составляющие формулы.
9. Что называют объемной удельной теплоемкостью и по какой формуле ее рассчитывают? Указать все составляющие формулы.
10. Что называютмолекулярной удельной теплоемкостью и по какой формуле ее рассчитывают? Указать все составляющие формулы.
11. Какая зависимость существует между теплоемкостями?
12*. Какие процессы в теплотехнике имеют большое значение?
13. Что выражается уравнением Майера? Напишите данное уравнение с указанием всех его составляющих.
14**. Что называют показателем адиабаты? Напишите значения данных показателей.
15**. В чем заключается первый и второй способ определения удельной массовой теплоемкости?
16. В чем заключается третий способ определения удельной массовой теплоемкости?
Критерии оценки
| Показатель | Балл |
| Задание, в рабочей тетраде, выполнено следующим образом: написан вопрос и после слова ОТВЕТ написан правильный и подробный ответ на вопрос (или выполнено задание) с использованием учебного материала изучаемой темы. Правильно выполнены все задания и приведены ответы на все вопросы. Даны верные и полные устные ответы на три вопроса по выбору преподавателя. | «5» |
| Задание, в рабочей тетраде, выполнено следующим образом: написан вопрос и после слова ОТВЕТ написан правильный ответ на вопрос (или выполнено задание) с использованием учебного материала изучаемой темы. Правильно выполнены все задания и приведены ответы на все вопросы, отмеченные звездочкой (*). Даны верные устные ответы на два вопроса по выбору преподавателя, отмеченные звездочкой (*). ИЛИ Правильно и подробно выполнены все задания и приведены верные и подробные ответы на все вопросы. | «4» |
| Задание, в рабочей тетраде, выполнено следующим образом: указан номер вопроса (задания) и написан правильный ответ на вопрос (или выполнено задание) с использованием учебного материала изучаемой темы. Правильно выполнены все задания и приведены ответы на все вопросы, отмеченные звездочкой (*). | «3» |