Номер 3, страница 43 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

3. Почему разные вещества имеют разную удельную теплоёмкость?

3. Почему разные вещества имеют разную удельную теплоёмкость?

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить одному килограмму вещества, чтобы нагреть его на один градус Цельсия (или один Кельвин). Она обозначается буквой $c$ и определяется формулой:

$c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}$

где $Q$ – количество теплоты, $m$ – масса вещества, а $\Delta T$ – изменение его температуры.

Различие в удельной теплоёмкости у разных веществ объясняется их внутренним, микроскопическим строением. Когда вещество получает теплоту, его внутренняя энергия увеличивается. Эта энергия представляет собой сумму кинетической энергии (энергии движения) и потенциальной энергии (энергии взаимодействия) составляющих его частиц – атомов или молекул.

Причины различия удельной теплоёмкости кроются в следующем:

1. Строение молекул и атомов. Энергия, подводимая к веществу, распределяется по так называемым степеням свободы его частиц.

   • У одноатомных газов (например, гелий, аргон) атомы могут двигаться только поступательно в трёх направлениях. Вся получаемая энергия идёт на увеличение скорости их движения, то есть кинетической энергии.
   • У двухатомных (кислород, азот) и многоатомных (углекислый газ, метан) молекул, помимо поступательного движения, есть возможность вращаться и колебаться. Часть подводимой теплоты расходуется на увеличение энергии этих вращательных и колебательных движений, а не только на увеличение скорости поступательного движения, которое и определяет температуру. Чем сложнее молекула, тем больше у неё степеней свободы и, как правило, тем выше её теплоёмкость.

2. Силы межмолекулярного взаимодействия. В твёрдых телах и жидкостях атомы и молекулы связаны друг с другом. Часть подводимой энергии уходит на преодоление этих сил связи, то есть на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц, а не только на увеличение их кинетической энергии. Сила этих связей у разных веществ разная. Например, у воды молекулы связаны прочными водородными связями, на разрыв которых уходит много энергии, что является одной из причин её аномально высокой теплоёмкости. В металлах же тепловая энергия в основном увеличивает энергию колебаний ионов в узлах кристаллической решётки и кинетическую энергию свободных электронов.

3. Молярная масса. Удельная теплоёмкость рассчитывается на единицу массы (1 кг). Вещества с лёгкими атомами (например, водород) содержат в 1 кг больше частиц, чем вещества с тяжёлыми атомами (например, свинец). Большее количество частиц означает большее общее число степеней свободы, по которым может распределяться энергия, что также способствует увеличению удельной теплоёмкости.

Таким образом, сочетание этих факторов – сложности строения молекул, силы межмолекулярных связей и массы частиц – уникально для каждого вещества, что и приводит к различию их удельных теплоёмкостей.

Ответ: Разные вещества имеют разную удельную теплоёмкость, потому что они состоят из разных атомов и молекул, которые отличаются по массе, строению (количеству степеней свободы) и силе взаимного притяжения (межмолекулярным силам). Эти микроскопические различия определяют, сколько энергии требуется для увеличения внутренней энергии (и, следовательно, температуры) одного килограмма вещества на один градус.

4. Почему различна удельная теплоёмкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях?

Удельная теплоёмкость одного и того же вещества существенно зависит от его агрегатного состояния (твёрдое, жидкое или газообразное). Это связано с кардинальными изменениями в структуре вещества и характере движения его частиц при переходе из одного состояния в другое. Рассмотрим это на классическом примере воды:

• Удельная теплоёмкость льда (твёрдое состояние): $c_{лёд} \approx 2100 \frac{Дж}{кг \cdot К}$

• Удельная теплоёмкость жидкой воды: $c_{вода} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot К}$

• Удельная теплоёмкость водяного пара (газообразное состояние): $c_{пар} \approx 2000 \frac{Дж}{кг \cdot К}$ (при постоянном давлении)

Причины таких различий следующие:

1. Твёрдое состояние (лёд). В кристаллической решётке льда молекулы воды жёстко зафиксированы и могут лишь совершать колебательные движения около своих положений равновесия. Подводимая тепловая энергия расходуется почти исключительно на увеличение амплитуды этих колебаний. Количество способов запасать энергию (степеней свободы) ограничено.

2. Жидкое состояние (вода). При плавлении кристаллическая решётка разрушается. Молекулы воды получают возможность не только колебаться, но и вращаться, а также двигаться поступательно (перемещаться друг относительно друга). Кроме того, в жидкой воде всё ещё существуют сильные, но кратковременные водородные связи между молекулами. Значительная часть подводимой энергии тратится не на увеличение скорости движения молекул (то есть температуры), а на ослабление и разрыв этих связей, что увеличивает потенциальную энергию системы. Из-за этого разнообразия "каналов" для поглощения энергии (поступательное, вращательное, колебательное движение и работа против межмолекулярных сил) жидкая вода имеет аномально высокую удельную теплоёмкость.

3. Газообразное состояние (водяной пар). В состоянии пара молекулы воды находятся далеко друг от друга, и силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Подводимая теплота идёт на увеличение кинетической энергии их поступательного, вращательного и колебательного движений. Поскольку нет необходимости тратить энергию на преодоление сильных межмолекулярных связей, как в жидкости, для нагрева пара на один градус требуется меньше энергии, чем для нагрева жидкой воды. Его теплоёмкость сравнима с теплоёмкостью льда, но обусловлена другими типами движения частиц.

Ответ: Удельная теплоёмкость вещества различна в разных агрегатных состояниях из-за фундаментальных различий в его микроскопической структуре. При переходе из одного состояния в другое меняется характер движения частиц (степени свободы) и сила взаимодействия между ними, что приводит к изменению способности вещества поглощать и накапливать тепловую энергию.