Теплоемкость азота: свойства газа, зависящие от температуры

Теплоемкость - одна из важнейших термодинамических характеристик вещества. От нее зависят многие технологические процессы и физические явления с участием азота.

Физический смысл теплоемкости

Теплоемкость показывает, какое количество теплоты нужно передать единице массы или количества вещества, чтобы нагреть его на один градус. Различают удельную и молярную теплоемкости.

Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимому для нагревания единицы массы вещества на 1°C.

Молярная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимому для нагревания одного моля вещества на 1°C.

Теплоемкость тесно связана с внутренним строением вещества и движением его частиц. У твердых тел и жидкостей основной вклад в теплоемкость вносят колебания атомов или молекул около положений равновесия. У газов добавляются еще поступательное движение молекул и их вращение.

Поэтому теплоемкость зависит от агрегатного состояния и температуры. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний частиц и число степеней свободы, вовлеченных в тепловое движение.

Для двухатомных молекул, к которым относится молекула азота N₂, характерны дополнительные особенности. Их вращение происходит только вокруг оси, проходящей через оба атома. Поэтому зависимость теплоемкости от температуры для них более сложная.

Теплоемкость твердого азота

В твердом состоянии азот кристаллизуется в несколько модификаций с разными параметрами решетки. Например, при атмосферном давлении существуют фазы α-N₂ и β-N₂:

• Фаза β-N₂ имеет гексагональную плотноупакованную решетку в интервале температур 36-63 K.
• Фаза α-N₂ обладает объемно-центрированной кубической решеткой при температурах ниже 36 K.

Изменение кристаллической структуры и параметров решетки при переходе из одной фазы в другую влияет на колебания решетки и ядер атомов. Это приводит к резким скачкам теплоемкости твердого азота в окрестности фазовых переходов.

Экспериментальные данные показывают сложный немонотонный характер температурной зависимости. Теоретические расчеты теплоемкости, учитывающие различные вклады в нее, хорошо согласуются с измерениями.

Теплоемкость жидкого азота

В жидком азоте молекулы сохраняют высокую подвижность, но их движение становится более коррелированным из-за сил межмолекулярного взаимодействия. Это сказывается на теплоемкости.

Для перехода жидкого азота в газообразное состояние требуется затратить теплоту испарения, равную 5,58 кДж/моль при температуре кипения 77,4 К. При плавлении твердого азота выделяется теплота плавления 0,73 кДж/моль.

Теплоемкость жидкого азота возрастает с температурой. Она примерно в полтора раза выше, чем у таких жидкостей как вода или бензол при тех же температурах.

Это объясняется большей свободой движения молекул и их слабым взаимодействием в азоте. Тепловое расширение жидкого азота тоже значительно превосходит расширение других жидкостей.

Теплоемкость газообразного азота

Для газообразного азота теплоемкость определяется моделью идеального или реального газа. В идеальном газе молекулы движутся хаотично и не взаимодействуют друг с другом. В реальном газе учитывается их слабое притяжение на небольших расстояниях.

Основной вклад в теплоемкость газообразного азота вносят поступательные степени свободы молекул. При высоких температурах начинают "включаться" колебательные и вращательные степени свободы.

Экспериментальные данные показывают, что в широком интервале температур и давлений теплоемкость азота слабо зависит от параметров состояния. Лишь вблизи критической точки наблюдается резкий рост теплоемкости.

Практическое использование высокой теплоемкости

Высокая удельная теплоемкость газообразного азота активно используется в технике. Например, азот применяют в качестве рабочего тела в импульсных трубах. Благодаря большой теплоемкости газ может поглощать теплоту от электрического разряда, не сильно нагреваясь.

Теплоемкость азота при фазовых переходах

При фазовых переходах теплоемкость азота резко возрастает. Это связано с поглощением или выделением скрытой теплоты плавления или испарения.

Например, удельная теплоемкость жидкого азота при температуре кипения составляет почти 2000 Дж/(кг·К). Это почти в 4 раза выше, чем теплоемкость жидкого азота при температуре 70 К.

Похожий рост наблюдается при плавлении твердого азота. Знание теплоемкости при фазовых переходах важно при моделировании процессов в криогенной технике.

Нерешенные вопросы

Несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, ряд вопросов теплоемкости азота остается открытым. В частности, это касается точного описания колебаний и вращений молекул.

Для более детального понимания необходимы новые экспериментальные методы, позволяющие исследовать быстрые процессы в азоте с высоким временным и пространственным разрешением.

Перспективы практического использования

Глубокое знание теплоемкости азота открывает новые перспективы его применения. Например, благодаря высокой теплоемкости азот можно использовать в качестве эффективного теплоносителя.

Кроме того, необычные свойства азота в окрестности фазовых переходов потенциально могут найти применение в терморегуляции и теплообменных процессах.