Теплоёмкости и калориметрия — Физическая химия для олимпиад

Теплоёмкости и калориметрия

8 заданий

Удельная и молярная теплоёмкость

linkОпора

В уроке 35 теплоёмкость при постоянном объёме появилась как частная производная внутренней энергии. На практике теплоёмкость — это коэффициент, связывающий полученную телом теплоту с его нагреванием: \(Q = C\,\Delta T\), где \(C\) — теплоёмкость тела (Дж/К). Её относят к массе или к количеству вещества.

ВеличинаОпределениеВода (жидкость)
теплоёмкость тела \(C\)Дж/Кзависит от массы
удельная \(c\)\(C/m\), Дж/(г·К)4,184
молярная \(C_m\)\(C/n\), Дж/(моль·К)75,3

Удельная и молярная теплоёмкости связаны молярной массой: \(C_m = cM\). У воды одна из самых больших удельных теплоёмкостей — поэтому водоёмы смягчают климат, а в калориметрах вода служит хорошим накопителем теплоты. У твёрдых простых веществ молярная теплоёмкость близка к \(3R \approx 25\) Дж/(моль·К) (правило Дюлонга — Пти): атом в кристалле колеблется по трём направлениям, и каждое колебание вносит \(kT\) в энергию.

errorУдельная или молярная

Удельную теплоёмкость умножают на массу, молярную — на количество вещества. Перепутать их — значит ошибиться в \(M\) раз.

functionsУравнение теплового баланса

Горячее тело (масса \(m_1\), теплоёмкость \(c_1\), температура \(t_1\)) приводят в контакт с холодным (\(m_2\), \(c_2\), \(t_2\)) в теплоизолированном сосуде. Система изолирована, поэтому сумма теплот равна нулю: сколько отдало одно тело, столько получило другое. При общей конечной температуре \(t\)

\[m_1c_1(t - t_1) + m_2c_2(t - t_2) = 0 \quad\Rightarrow\quad t = \frac{m_1c_1t_1 + m_2c_2t_2}{m_1c_1 + m_2c_2}.\]

Конечная температура — среднее, взвешенное по теплоёмкостям тел (урок 3).

infoИз истории

Понятия теплоёмкости и скрытой теплоты ввёл шотландский химик Джозеф Блэк в 1760-х годах. Он заметил, что тающий лёд поглощает много тепла, не нагреваясь: теплота как бы скрывается в переходе. До Блэка температуру и количество теплоты не различали.

lightbulbКалории

Калория — теплота нагревания 1 г воды на 1 градус, 4,184 Дж. Калории на упаковках продуктов — это килокалории: шоколадка на 500 ккал содержит около 2 МДж — этого хватит, чтобы нагреть 6 л воды от комнатной температуры до кипения.

Калориметр и его теплоёмкость

Калориметр — теплоизолированный сосуд, в котором теплоту процесса находят по изменению температуры. Нагревается не только раствор, но и сосуд, мешалка, термометр. Их суммарную теплоёмкость \(C_\text{кал}\) находят калибровкой: через калориметр пропускают известную теплоту — электрическим нагревателем (\(Q = UIt\), урок 95) или эталонной реакцией — и измеряют \(\Delta T\); тогда \(C_\text{кал} = Q/\Delta T\).

functionРасчёт калориметрического опыта

Калориметр с содержимым изолирован, поэтому теплота, выделенная процессом, целиком нагревает калориметр:

\[Q_\text{процесса} = -C_\text{кал}\,\Delta T, \qquad \Delta_rH = \frac{Q_p}{n}.\]

При постоянном давлении (стакан с крышкой) это теплота на моль реакции \(\Delta_rH\), при постоянном объёме (бомба) — \(\Delta_rU\). Знак: если температура выросла, процесс отдал теплоту, \(\Delta_rH < 0\).

edit_noteНейтрализация

Смешали по 100 мл 0,500 М растворов \(\ce{HCl}\) и \(\ce{NaOH}\) (плотность и удельная теплоёмкость раствора — как у воды); температура выросла на 3,35 К. Теплота

\[Q = mc\,\Delta T = 200\cdot4{,}18\cdot3{,}35 = 2{,}80\ \text{кДж}\]

выделилась при образовании 0,0500 моль воды, поэтому \(\Delta H = -2{,}80/0{,}0500 = -56\) кДж/моль (табличное значение −57 кДж/моль).

Теплопотери и систематическая ошибка

Калориметр не идеально изолирован: пока идёт реакция и выравнивается температура, часть теплоты уходит в окружение. Максимальная наблюдаемая температура оказывается ниже, чем была бы без потерь, и \(|\Delta H|\) получается заниженным. Это систематическая ошибка (урок 23): повторение опыта её не устраняет.

Поправка — экстраполяция. Температуру записывают до реакции и после неё. Остывание калориметра идёт медленно и почти линейно (урок 14: малый участок экспоненты похож на прямую), поэтому линейный участок охлаждения продолжают назад до момента смешивания. Разность между продолженной линией и начальной температурой — исправленный подъём \(\Delta T\), каким он был бы при мгновенной реакции без потерь.

Запись температуры калориметрического опыта: после смешивания (5 мин) калориметр остывает; продолжение участка охлаждения к моменту смешивания даёт исправленный подъём температуры
Запись температуры калориметрического опыта: после смешивания (5 мин) калориметр остывает; продолжение участка охлаждения к моменту смешивания даёт исправленный подъём температуры

errorДругие систематические ошибки

Теплоёмкость раствора не равна теплоёмкости воды; реакция идёт не до конца; часть реагента испаряется. Хороший отчёт называет, какие из ошибок учтены, а какие только оценены.

push_pinГлавное

\(Q = C\,\Delta T\); в изолированной системе сумма теплот равна нулю, отсюда уравнение теплового баланса. Теплоёмкость калориметра находят калибровкой, теплоту процесса — по подъёму температуры: \(Q = -C_\text{кал}\Delta T\). Потери теплоты занижают подъём и дают систематическую ошибку, которую поправляют экстраполяцией.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.