열용량

열역학
고전적인 카르노 히트 엔진
나뭇가지 고전적인 통계 화학의 양자 열역학 평형/비평형
법률 제로스 첫번째 둘째 셋째
시스템들 폐쇄형 시스템 오픈 시스템 격리 시스템 주 상태 방정식 이상 기체 실가스 상황 위상(매터) 평형 볼륨 제어 인스트루먼트 과정 이소바릭 아이소코리 등온 단열성 등엔트로픽 이센탈픽 준정전성 폴리트로픽 자유 확장 가역성 불가역성 내복원성 사이클 히트 엔진 히트 펌프 열효율
시스템 속성 주의: 이탤릭체로 표시된 켤레 변수 속성도 집약적이고 광범위한 속성 프로세스 기능 일하다. 열 국가 기능 온도/엔트로피(개요) 압력/볼륨 화학 퍼텐셜/입자수 증기 품질 속성 감소
재료 특성 속성 데이터베이스 비열 용량 ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ $\displaystyle \partial S\$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle\partial T}$ 압축성 $\displaystyle \displays =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ $(\displaystyle\displayp)$ 열팽창 $\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle\partial T}$
방정식 카르노의 정리 클라우시우스 정리 기본 관계 이상기체의 법칙 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리지만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ 깁스 자유 에너지 ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스 법칙 "영구 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너제틱스 이론들 열량론 Vis viva ('생체력') 열의 기계적 등가 동력 주요 출판물 실험적인 질문 ~에 대해서열 균형에 대하여 이종 물질 의 리플렉션 불의 원동력 타임라인 열역학 히트 엔진 예체능 교육 맥스웰의 열역학 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자 베르누이 볼츠만 브리지만 카라테오도리 카르노 클라피론 클라우시우스 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 메이어 네른스트 온사게 플랑크 랭킨 스미톤 스틸 태트 톰슨 톰슨 판 데르 발스 워터스톤
다른. 핵생성 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
v t

열용량 또는 열용량은 물체의 물리적 특성으로,^[1] 물체의 온도에서 단위 변화를 일으키기 위해 물체에 공급되는 열의 양으로 정의됩니다.열용량의 SI 단위는 켈빈당 줄(J/K)입니다.

열 용량은 광범위한 특성입니다.대응하는 강도 높은 특성은 물체의 열 용량을 질량으로 나누어 구한 비열 용량이다.열 용량을 몰의 물질 양으로 나누면 몰 열 용량이 산출됩니다.체적 열 용량은 체적당 열 용량을 측정합니다.건축 및 토목 공학에서 건물의 열 용량은 종종 열 질량이라고 합니다.

정의.

기본 정의

C(\$displaystyle$ C$)$로 $표시$된 물체의 열 용량이 한계값입니다.

${\displaystyle C=\lim _{\Delta T\to 0}{\frac {\Delta Q}{\Delta T}}$

여기서 ${\displaystyle \delta }$ Q$(\displaystyle \Delta$ Q$)$는 (질량 M의) 물체의 온도를 ${\displaystyle \delta }$T$(\displaystyle$ \$Delta$ T$)$만큼 올리기 위해 물체에 가해야 하는 열의 양입니다.

이 파라미터의 값은 일반적으로 물체의 시작 $온도{\displaystyle }$ T$(디스플레이 스타일$ T$)$와 물체에 가해지는 $압력{\displaystyle }$ P$(디스플레이 스타일$ P$)$에 따라 크게 달라집니다.특히 용해 또는 기화와 같은 상전이에 따라 크게 변화합니다(융합의 엔탈피 및 기화의 엔탈피 참조).따라서 이 두 변수의 $함수{\displaystyle }$ C${\displaystyle (P,}$ $)$ {$displaystyle$ C$(P, T)}$로 간주해야 합니다.

온도에 따른 변동

온도와 압력의 범위가 좁은 물체를 다룰 때 이러한 변화는 컨텍스트에서 무시할 수 있습니다.예를 들어, 1파운드 무게의 철 블록의 열 용량은 시작 온도 T = 25 °C 및 P = 1 atm 압력에서 측정했을 때 약 204 J/K입니다.이 근사치는 15°C에서 35°C 사이의 온도와 0에서 10 사이의 주변 압력에 적합하다. 왜냐하면 이러한 범위에서는 정확한 값이 거의 변하지 않기 때문이다.204J의 동일한 열 입력으로 블록의 온도가 15°C에서 16°C로, 또는 34°C에서 35°C로 상승하며, 오차는 무시할 수 있습니다.

다양한 열역학적 과정을 거치는 동종 시스템의 열 용량

정압시 δQ = dU + PdV (등압공정)

일정한 압력에서 시스템에 공급되는 열은 열역학 제1법칙에 따라 수행된 작업과 내부 에너지 변화에 모두 기여합니다.열용량은 ${\displaystyle C_{}}$P$.(\displaystyle C_{P})$라고 $합니다{\displaystyle {}_{}}$.$}$

정용량일 때 dV = 0, δQ = dU (등화과정)

일정한 부피로 프로세스를 진행 중인 시스템은 확장 작업이 수행되지 않았음을 의미하므로 공급되는 열은 내부 에너지 변화에만 기여합니다.이$$ 방법으로 얻을 수 있는 열용량은 ${\displaystyle C_{}}V$로 $표시됩니다.{\$$displaystyle$ C_$${$V}}$ C$V$의 $값$은 ${\displaystyle {항상}_{}}$ C${\displaystyle {}_{}}$$$의 값보다 작습니다$.\$$displaystyle$ $C\_{\displaystyle {}_{}}$${$$P$$}$ < ${\displaystyle C_{}}$${\displaystyle P_{}}$$$. $displaystyle$C . { V$$$\}$

이상 기체에 대한 C 및 C_V 계산_P

메이어의 관계:

${\displaystyle C_{P}-C_{V}=nR}$

${\displaystyle C_{P}/C_{V}=\gamma,}$

어디에

$\displaystyle$n은$$ 가스의 몰 수입니다.

$R${\$displaystyle$ R$}$은 범용 가스 상수입니다.

$∙(\displaystyle$ \display$$）는 열용량비(가스 분자의 자유도를 알면 계산 가능)입니다.

위의 두 가지 관계를 사용하여 다음과 같이 특정 열을 추론할 수 있습니다.

${\displaystyle C_{V}=black {nR}{\gamma -1}}$

${\displaystyle C_{P}=\gamma{nR}{\gamma-1}}$

항온시(등온공정)

내부 에너지의 변화(프로세스 전체에서 시스템의 온도가 일정하기 때문에)는 공급되는 총 열로만 이루어지기 때문에 시스템의 온도를 단위 온도만큼 증가시키기 위해 무한한 양의 열이 필요하며, 따라서 시스템의 열 용량이 무한해지거나 정의되지 않은 상태로 이어집니다.

상변화시(상전이)

이 열은 전체 온도를 높이는 것이 아니라 재료 상태를 변화시키는데 이용되기 때문에 상전이 중인 시스템의 열 용량은 무한하다.

이종 객체

열 용량은 전기 모터, 일부 금속이 있는 도가니 또는 건물 전체와 같이 서로 다른 재료로 구성된 개별 부품으로 구성된 이기종 물체의 경우에도 명확하게 정의될 수 있습니다.많은 경우 이러한 물체의 (등압) 열 용량은 개별 부품의 (등압) 열 용량을 합산하여 계산할 수 있다.

그러나 이 계산은 측정 전후에 물체의 모든 부분이 동일한 외부 압력에 있을 때만 유효합니다.그것은 경우에 따라서는 불가능할 수 있다.예를 들어, 탄성 용기에서 일정량의 가스를 가열할 경우 용기 외부의 기압이 일정하게 유지되더라도 용기의 부피와 압력은 모두 증가합니다.${\displaystyle {따라서\mathrm{}}_{}}$ 이 상황에서 가스의 유효 열용량은 등압용량과 $등압용량{\displaystyle {}_{}}$ $P(\$C_${\$mathrm {$P}})$와 C V(\$displaystyle$C_${\$mathrm {$V$ $사이$의 중간값이 됩니다.

여러 개의 상호작용 부품 및 상태 변수가 있는 복잡한 열역학 시스템 또는 일정한 압력이나 일정한 체적이 아닌 측정 조건 또는 온도가 상당히 균일하지 않은 상황에서는 위의 열 용량에 대한 단순한 정의는 유용하지 않으며 심지어 의미도 없습니다.공급되는 열 에너지는 거시적 및 원자적 규모 모두에서 운동 에너지(운동 에너지)와 위치 에너지(힘장에 저장된 에너지)로 끝날 수 있다.온도 변화는 시스템이 초기 상태와 최종 상태 사이의 위상 공간을 통과한 특정 경로에 따라 달라집니다.즉, 초기 상태와 최종 상태 사이에서 위치, 속도, 압력, 부피 등이 어떻게 변화했는지 명시해야 하며, 열역학 일반 도구를 사용하여 작은 에너지 입력에 대한 시스템의 반응을 예측해야 합니다."고정 부피" 및 "고정 압력" 가열 모드는 단순한 균질 시스템이 따를 수 있는 무한히 많은 경로 중 두 가지에 불과합니다.

측정.

열 용량은 일반적으로 알려진 균일한 온도의 물체에서 시작하여 알려진 양의 열에너지를 더하고 온도가 균일해질 때까지 기다렸다가 온도 변화를 측정하는 방법으로 측정할 수 있습니다.이 방법은 많은 고형물에 대해 중간 정도의 정확한 값을 제공할 수 있지만, 특히 가스에 대해서는 매우 정확한 측정을 제공할 수 없습니다.

단위

국제 시스템

물체의 열용량 SI 단위는 줄/켈빈(J/K 또는 J jK⁻¹)입니다.섭씨 1도의 온도 상승은 1켈빈 상승과 같기 때문에 J/°C와 같은 단위이다.

물체의 열용량은 에너지량을 온도변화로 나눈 값이며, 이 값은² LmMtTθ입니다⁻²⁻¹.따라서 SI 단위 J/K는 킬로그램미터/초 제곱/켈빈(kgmmsskK²⁻²⁻¹)과 같다.

영어(제국) 엔지니어링 유닛

특히 미국에서 건설, 토목, 화학 공학 및 기타 기술 분야의 전문가는 파운드(lb = 0.45359237 kg)를 질량, 화씨 또는 랭킨(Rankine) 단위로 포함하는 소위 영국 엔지니어링 단위를 사용할 수 있습니다.온도 증가 단위로 5/9°K, 약 0.55556°K)와 열 단위로 영국 열 단위(BTU 55 1055.06 J)^[3][4]가 있습니다.이러한 상황에서 열용량 단위는 1 BTU/°R 1900 1900 J/°^[5]K입니다.BTU는 실제로 물의 평균 열 용량이 1BTU/°F가 되도록 정의되었다.이와 관련하여 질량과 관련하여 1 Btu/lb°°R 4 4,187 J/kg°°K^[6] 및 열량의 환산에 유의한다.

칼로리

화학에서 열의 양은 종종 칼로리로 측정된다.열량을 측정하기 위해 "cal" 또는 "Cal"로 표시된 두 개의 단위가 일반적으로 사용되었습니다.

• "작은 열량"(또는 "그램 열량", "칼로리")은 정확히 4.184J입니다.원래는 액체 물 1그램의 열 용량이 1cal/°C가 되도록 정의되었다.
• "그랜드 칼로리"("킬로칼로리", "킬로칼로리" 또는 "음식 칼로리")는 정확히 1000cal, 즉 4184J이다.원래는 물 1kg의 열 용량이 1kcal/°C가 되도록 정의되었다.

이러한 열 에너지 단위로 열 용량 단위는 다음과 같습니다.

1 cal/°C = 4.184 J/K

1 kcal/°C = 4184 J/K

물리 베이스

음의 열용량

대부분의 물리적 시스템은 양의 열 용량을 나타낸다. 부분 유도체로 엄격하게 정의되는 정용량 및 정압 열 용량은 항상 균질 ^[7]물체에 양의 열 용량을 나타낸다.그러나 처음에는 ^[8][9]역설적으로 보일 수 있지만 열 $용량{\displaystyle }$ Q$(\displaystyle$ Q$)$ / ${\displaystyle \delta }$T$(\displaystyle$ \$Delta$ T$)$가 음수인 시스템이 있습니다.반면 약간의 열 Q{Q\displaystyle}을 예로는;0,거나 증가하는 온도로 메탄 연소., T{\displaystyle\Delta T}을 Δ;0, 그리고 열, Q{Q\displaystyle}을을 집어 넣는 취소할 수 있어, 냉각되어 거의 단열적으로. 확대하는 이상적인 가스,Δ T{\displaystyle\Delta T}<0을 포함한다. <0.다른 것들은 열역학적 평형의 엄격한 정의를 충족하지 못하는 비균질적인 시스템이다.여기에는 별이나 은하와 같은 중력 물체, 그리고 상전이에 ^[10]가까운 수십 개의 원자로 이루어진 나노 스케일 성단이 포함됩니다.음의 열용량은 음의 온도를 초래할 수 있습니다.

별과 블랙홀

비리얼 정리에 따르면, 별이나 성간 가스 구름과 같은 자기 중력체의 경우, 평균 위치 에너지_pot U와 평균 운동 에너지_kin U는 그 관계에서 함께 고정된다.

$(\displaystyle U_{\text{pot}}=-2U_{\text{kin}})}$

따라서 총 에너지 U(= U_pot + U_kin)가 준수됩니다.

${\displaystyle U=-U_{\text{kin}}.}$

예를 들어, 시스템이 에너지를 우주로 방출함으로써 에너지를 잃게 되면, 평균 운동 에너지는 실제로 증가한다.온도가 평균 운동 에너지로 정의된다면, 이 시스템은 음의 열 용량을 ^[11]가지고 있다고 할 수 있다.

이것의 더 극단적인 버전은 블랙홀에서 발생합니다.블랙홀 열역학에 따르면 블랙홀이 흡수하는 질량과 에너지가 많을수록 더 차가워진다.반대로, 만약 그것이 순수 에너지 방출체라면, 호킹 방사선을 통해, 그것은 끓어 없어질 때까지 점점 더 뜨거워질 것이다.

결과들

열역학 제2법칙에 따르면 온도가 서로 다른 두 시스템이 순수하게 열 연결을 통해 상호 작용할 때 열은 뜨거운 시스템에서 차가운 시스템으로 흐릅니다(통계적 관점에서도 이해할 수 있습니다).따라서 이러한 시스템이 동일한 온도를 가지면 열평형 상태에 있는 것입니다.그러나 이 균형은 시스템이 양의 열 용량을 가질 경우에만 안정적입니다.이러한 시스템의 경우 열이 높은 온도 시스템에서 낮은 온도 시스템으로 흐르면 첫 번째 시스템의 온도가 낮아지고 두 번째 시스템의 온도가 상승하여 둘 다 평형에 접근한다.반대로, 음의 열용량을 가진 시스템의 경우, 온도가 높은 시스템의 온도는 열을 잃으면 더 높아지고, 차가운 시스템의 온도는 더 낮아져 평형에서 더 멀리 이동하게 된다.이것은 평형이 불안정하다는 것을 의미한다.

예를 들어, 이론에 따르면, 블랙홀이 작을수록 슈바르츠실트 반지름은 작아질 것이고, 따라서 블랙홀의 온도뿐만 아니라 사건 지평선의 곡률도 커질 것입니다.따라서 블랙홀이 작을수록 더 많은 열복사를 방출하고 더 빨리 증발할 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

• Encyclopédia Britanica, 2015, "열 용량(대체 제목: 열 용량)"