Основы термодинамики

4.2. Теплоёмкость идеального газа. Уравнение Майера

Теплоёмкость тела характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагревания этого тела на один градус:
(4.2.1)
Размерность теплоемкости: [C] = Дж/К.
Однако, теплоёмкость – величина неопределённая, поэтому пользуются понятиями удельной и молярной теплоёмкости.
Удельная теплоёмкость (С_уд) есть количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1 градус [C_уд] = Дж/К.
Для газов удобно пользоваться молярной теплоемкостью С_μ  количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моля газа на 1 градус:
. (4.2.2)
[C_μ] = Дж/(мольК).
Из п. 1.2 известно, что молярная масса – масса одного моля:

где А – атомная масса; m_ед  атомная единица массы; N_А  число Авогадро; моль μ – количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу атомов в 12 г изотопа углерода ¹²С.
Теплоёмкость термодинамической системы зависит от того, как изменяется состояние системы при нагревании.
Если газ нагревать при постоянном объёме, то всё подводимое тепло идёт на нагревание газа, то есть изменение его внутренней энергии. Теплоёмкость при этом обозначается С_V.
С_Р – теплоемкость при постоянном давлении. Если нагревать газ при постоянном давлении Р в сосуде с поршнем, то поршень поднимется на некоторую высоту h, то есть газ совершит работу (рис. 4.2).

Рис. 4.2
Следовательно, проводимое тепло затрачивается и на нагревание и на совершение работы. Отсюда ясно, что
Итак, проводимое тепло и теплоёмкость зависят от того, каким путём осуществляется передача тепла. Значит, Q и С не являются функциями состояния.
Величины С_Р и С_V оказываются связанными простыми соотношениями. Найдём их.
Пусть мы нагреваем один моль идеального газа при постоянном объёме(dA = 0). Тогда первое начало термодинамики запишем в виде:
, (4.2.3)
т.е. бесконечно малое приращение количества теплоты равно приращению внутренней энергии dU.
Теплоемкость при постоянном объёме будет равна:
(4.2.4)
В общем случае
,
так как U может зависеть не только от температуры. Но в случае идеального газа справедлива формула (4.2.4).
Из (4.2.4) следует, что
,
(4.2.5)