Кіріспе
Материалдың температурасын өзгертуге қажетті энергияны сипаттайтын физикалық қасиет. Жылу сыйымдылығы немесе жылу сыйымдылығы – заттың физикалық қасиеті, температураның бірлік өзгерісін тудыру үшін дененің қанша жылуға ие болу керектігін көрсетеді. Жылу сыйымдылығының СИ бірлігі – джоуль бір Кельвинге (Дж/К). Жылу сыйымдылығы – кеңейтілген қасиет. Оған сәйкес келетін қарқынды қасиет – дененің жылу сыйымдылығын оның массасына бөлгенде шығатын меншікті жылу сыйымдылығы. Жылу сыйымдылығын заттың моль санына бөлгенде молярлық жылу сыйымдылығы алынады. Көлемдік жылу сыйымдылығы – көлемге шаққандағы жылу сыйымдылығы. Сәулет және құрылыс салаларында ғимараттың жылу сыйымдылығы көбінесе оның жылу массасы деп аталады.
Heat capacity or thermal capacity is a physical property of matter, defined as the amount of heat to be supplied to an object to produce a unit change in its temperature. The SI unit of heat capacity is joule per kelvin (J/K). Heat capacity is an extensive property. The corresponding intensive property is the specific heat capacity, found by dividing the heat capacity of an object by its mass. Dividing the heat capacity by the amount of substance in moles yields its molar heat capacity. The volumetric heat capacity measures the heat capacity per volume. In architecture and civil engineering, the heat capacity of a building is often referred to as its thermal mass.
Температурамен ауытқу
Температура мен қысымның тар диапазонында жұмыс істегенде, бұл өзгерісті ескермеуге болады. Мысалы, бір фунт салмақты темір блогының жылу сыйымдылығы T = 25 °C бастапқы температурада және P = 1 атмосфера қысымда өлшенгенде шамамен 204 Дж/К-қа тең. Бұл шамамен алынған мән 15 °C мен 35 °C арасындағы температуралар және 0-ден 10 атмосфераға дейінгі қысымдар үшін жеткілікті, себебі нақты мән осы диапазон ішінде өте аз өзгереді. 204 Дж жылу мөлшері блоктың температурасын 15 °C-тан 16 °C-қа немесе 34 °C-тан 35 °C-қа көтеретініне аз ғана қателікпен сенуге болады.
Тұрақты температурада (изотермиялық процесс)
Ішкі энергияның өзгеруі болмағандықтан (мұнда жүйенің температурасы тұрақты болып қалады), берілген барлық жылу жұмысқа жұмсалады. Сондықтан жүйенің температурасын бір градусқа арттыру үшін шексіз мөлшерде жылу қажет, нәтижесінде жүйенің жылу сыйымдылығы шексіз немесе анықталмаған болады.
Фазалық ауысу кезінде (фазалық ауысу)
Фазалық ауысуға ұшыраған жүйенің жылу сыйымдылығы шексіз, себебі жылу материалдың күйін өзгертуге жұмсалады, температураны көтеруге емес.
Гетерогенді нысандар
Жылу сыйымдылығы әртүрлі материалдардан жасалған жеке бөліктері бар гетерогенді объектілер үшін де жақсы анықталуы мүмкін, мысалы, электр қозғалтқышы, кейбір металл бар ыдыс немесе бүкіл ғимарат. Көп жағдайда мұндай объектілердің (изобарикалық) жылу сыйымдылығын жеке бөліктердің (изобарикалық) жылу сыйымдылықтарын қосу арқылы есептеуге болады. Дегенмен, бұл есептеу тек объектінің барлық бөліктері өлшеу алдында және кейін бірдей сыртқы қысымда болған кезде ғана дұрыс. Бұл кейбір жағдайларда мүмкін болмайды. Мысалы, серпімді ыдыста газды қыздырғанда, оның көлемі де, қысымы да артады, тіпті ыдыстың сыртындағы атмосфералық қысым тұрақты сақталса да. Сондықтан, газдың тиімді жылу сыйымдылығы осы жағдайда оның изобарикалық және изохоралық сыйымдылықтары арасындағы мәнге ие болады.
For complex thermodynamic systems with several interacting parts and state variables, or for measurement conditions that are neither constant pressure nor constant volume, or for situations where the temperature is significantly non uniform, the simple definitions of heat capacity above are not useful or even meaningful. The heat energy that is supplied may end up as kinetic energy (energy of motion) and potential energy (energy stored in force fields), both at macroscopic and atomic scales. Then the change in temperature will depends on the particular path that the system followed through its phase space between the initial and final states. Namely, one must somehow specify how the positions, velocities, pressures, volumes, etc. changed between the initial and final states; and use the general tools of thermodynamics to predict the system's reaction to a small energy input. The "constant volume" and "constant pressure" heating modes are just two among infinitely many paths that a simple homogeneous system can follow.
Күрделі термодинамикалық жүйелерде, бірнеше өзара әрекеттесетін бөліктері мен күйінің айнымалылары бар жағдайларда, немесе өлшеу шарттары тұрақты қысым немесе тұрақты көлем емес болғанда, немесе температура айтарлықтай біркелкі емес болғанда, жоғарыдағы жылу сыйымдылығының қарапайым анықтамалары пайдалы емес, тіпті мағынасыз. Берілген жылу энергиясы макроскопиялық және атомдық деңгейде кинетикалық энергияға (қозғалыс энергиясы) және потенциалдық энергияға (күш өрісінде сақталған энергия) айналуы мүмкін. Онда температураның өзгеруі бастапқы және соңғы күйлер арасындағы жүйенің фазалық кеңістіктегі траекториясына байланысты болады. Яғни, бастапқы және соңғы күйлер арасындағы координаталардың, жылдамдықтардың, қысымдардың, көлемдердің және т.б. өзгеруін қалай анықтау керектігін көрсету қажет, содан кейін термодинамиканың жалпы құралдарын пайдаланып жүйенің шағын энергиялық әсерге реакциясын болжауға болады. "Тұрақты көлем" және "тұрақты қысым" режиміндегі қыздыру – қарапайым біртекті жүйенің өте алатын шексіз траекториялардың екеуі ғана.
For complex thermodynamic systems with several interacting parts and state variables, or for measurement conditions that are neither constant pressure nor constant volume, or for situations where the temperature is significantly non uniform, the simple definitions of heat capacity above are not useful or even meaningful. The heat energy that is supplied may end up as kinetic energy (energy of motion) and potential energy (energy stored in force fields), both at macroscopic and atomic scales. Then the change in temperature will depends on the particular path that the system followed through its phase space between the initial and final states. Namely, one must somehow specify how the positions, velocities, pressures, volumes, etc. changed between the initial and final states; and use the general tools of thermodynamics to predict the system's reaction to a small energy input. The "constant volume" and "constant pressure" heating modes are just two among infinitely many paths that a simple homogeneous system can follow.
Өлшем
Жылу сыйымдылығын әдетте оның анықтамасымен көрсетілген әдіспен өлшеуге болады: белгілі бір біртекті температурадағы нысанмен бастаңыз, оған белгілі бір мөлшерде жылу энергиясын қосыңыз, температурасы біртекті болғанша күтіңіз және температураның өзгеруін өлшеңіз. Бұл әдіс көптеген қатты денелер үшін шамалы дәлдігі бар мәндерді беруі мүмкін, бірақ ол өте дәл өлшемдерді, әсіресе газдар үшін қамтамасыз ете алмайды.
Халықаралық жүйе
Объектінің жылу сыйымдылығының СИ бірлігі – кельвинге шаққандағы джоуль (J/K немесе J⋅K−1). Бір градус Цельсий температураның өзгеруі бір кельвин температурасының өзгеруімен бірдей болғандықтан, бұл J/°C бірлігімен де өрнектеледі. Объектінің жылу сыйымдылығы – температура өзгеруіне бөлінген энергия мөлшері, оның өлшемдері L2⋅M⋅T−2⋅Θ−1. Сондықтан, СИ бірлігі J/K килограмм-метр квадрат секундқа квадрат кельвинге тең (kg⋅m2⋅s−2⋅K−1).
Ағылшын (Империяльдық) инженерлік бірліктері
Құрылыс, азаматтық инженерия, химиялық инженерия және басқа да техникалық салалардағы мамандар, әсіресе АҚШ-та, фунт (lb = 0,45359237 кг) масса бірлігі ретінде, Фаренгейт немесе Ранкин градусы (K, шамамен 0,55556 K) температура өзгеру бірлігі ретінде және британдық жылу бірлігі (BTU ≈ 1055,06 J) жылу мөлшерінің бірлігі ретінде қолданылатын, «ағылшын инженерлік бірліктері» деп аталатын бірліктерді пайдалануы мүмкін. Осы жағдайларда, жылу сыйымдылығының бірлігі 1 BTU/°R ≈ 1900 J/K болып табылады. Шындығында, BTU бір фунт судың орташа жылу сыйымдылығы 1 BTU/°F-қа тең болуы үшін анықталған. Осыған байланысты, массаға қатысты 1 Btu/lb⋅°R ≈ 4,187 J/kg⋅K және калория (төменде) түрлендірілуін ескеріңіз.
Теріс жылу сыйымдылығы
Көптеген физикалық жүйелер оң жылу сыйымдылығын көрсетеді; тұрақты көлем мен тұрақты қысымдағы жылу сыйымдылықтары, қатаң түрде ішірара туындылар ретінде анықталады, біртекті денелер үшін әрқашан оң болады. Дегенмен, алғашқыда парадоксалды сияқты көрінсе де, жылу сыйымдылығы / теріс болатын жүйелер де кездеседі. Мысалдарға кері және дерлік адиабатикалық түрде кеңейетін идеал газ жатады, ол салқындайды, < 0, ал аз мөлшерде жылу қосылады > 0, немесе температурасы артып келе жатқанда метанды жағу, > 0, және жылу шығару, < 0. Басқалары термодинамикалық тепе-теңдіктің қатаң анықтамасына сай келмейтін біртекті емес жүйелер. Оларға жұлдыздар мен галактикалар сияқты гравитациялық тартымға ие денелер, сондай-ақ фазалық өтуге жақын бірнеше ондаған атомнан тұратын кейбір наноөлшемді кластерлер кіреді. Теріс жылу сыйымдылығы теріс температураға алып келуі мүмкін.
Салдарлар
Термодинамиканың екінші заңы бойынша, әртүрлі температурасы бар екі жүйе таза жылулық байланыс арқылы өзара әрекеттескенде, жылу ыстық жүйеден салқын жүйеге ағады (мұны статистикалық тұрғыдан да түсінуге болады). Сондықтан, егер мұндай жүйелердің температурасы тең болса, олар жылулық тепе-теңдікте болады. Дегенмен, бұл тепе-теңдік жүйелер оң жылу сыйымдылығына ие болғанда ғана тұрақты болады. Мұндай жүйелерде жылу жоғары температуралы жүйеден төмен температуралы жүйеге аққанда, біріншісінің температурасы төмендейді, ал екіншісінікі артады, осылайша екеуі де тепе-теңдікке жақындайды. Керісінше, терс жылу сыйымдылығы бар жүйелерде, жылу жоғалту нәтижесінде ыстық жүйенің температурасы одан әрі артады, ал салқын жүйенің температурасы одан әрі төмендейді, сондықтан олар тепе-теңдіктен алшақтайды. Бұл тепе-теңдіктің тұрақсыз екенін көрсетеді. Мысалы, теория бойынша, қара тесік неғұрлым кіші (аз массалы) болса, оның Шварцшильд радиусы соғұрлым кіші болады, демек, оқиға горизонтының қисықтығы мен температурасы да соғұрлым жоғары болады. Осылайша, қара тесік неғұрлым кіші болса, соғұрлым көп жылулық сәуле шығарады және соғұрлым жылдам буланады.