Что такое теплоёмкость. Закрытие закона Авогадро

Перевод статьи на английский язык,
любое использование опубликованного в статье материала
или упоминание о данной статье в англоязычных публикациях
без разрешения автора запрещается!


Логофизика. Что такое теплоёмкость, или Закрытие закона Авогадро


1.
Продолжая тему, поднятую в статье «Давление и температура. Что мы измеряем?» (http://www.proza.ru/2019/10/04/1682), мы будем величину, которую сегодня физики необоснованно называют давлением, называть «механическим давлением», чтобы избежать путаницы с термином «Давление», который обозначает явление, а не физическую величину, и будем использовать для неё привычное для физиков обозначение «р» (в предыдущей статье использовалось «Тп» – температура покоя физического тела). А для абсолютной температуры тела будем использовать привычное простое «Т» без нижнего индекса, зная, что под ней подразумевается температура движения тела «То» (в предыдущей статье ещё использовалось «Тд»).

Ещё один нюанс в этой теме касается физического термина «состояние» – его, на первый взгляд с позиции логофизики, нельзя определить ничем, также как ничем не определяемы термины «покой» и «движение». То есть, термин «состояние» означает лишь то, что означает – Со-Стояние – нахождение объекта совместно с другим объектом или объектами в какой-то системе. И тогда термин «Состояние» может иметь следующие определения – это 1) покой или движение, 2) покой или движение объекта относительно другого объекта или объектов, то есть состояние объекта.
Но, подчеркнём, это так лишь на первый взгляд. Потому что в отношении физического тела понятие «состояние» означает и это его со-стояние (совместное нахождение) с другими телами в системе отсчёта, и со-стояние его частей или частиц вещества внутри него, то есть состояние тела, понимаемое как состояние его внутренней среды, совместное нахождение частиц в физическом теле – как объектов в системе отсчёта. И тогда уже термин «состояние» может иметь иные определения – это 3) сохранение вещества объекта (твёрдое, жидкое, газообразное, ионизированное), имеющее мерой механическое давление, 4) сохранение вещества как среды в объекте (горячая среда, тёплая, холодная), имеющее мерой температуру.
Физическое тело постоянно пытается найти «равновесие» между этими двумя со-стояниями – так же, как человек пытается найти равновесие между моралью (давлением) общества и своим внутренним миром. Это процессы одного типа, потому что человек и общество – это также материальные объекты. Такое соблюдение физическим телом «равновесия» между своим со-стоянием в системе и собственным внутренним состоянием называется «сохранение состояния» – оно определено в разделе 4 предыдущей статьи «Давление и температура…» как одна из связей между материей и движением. Причём сохранение состояния движения – это постоянное изменение положения, а значит, и постоянное изменение со-стояния физического тела в системе отсчёта, а сохранение состояния покоя – это неизменность расположения тела относительно какой-то точки или собственного центра тяжести.

Так же и Мир, который состоит из Движения и Покоя, имеет два Состояния – это движение как состояние мира (Вселенная) и покой, тоже состояние мира (Бытие). Но ни Мир, ни Вселенная и Бытие, которые также состоят из конкретных объектов (пространство, материя, давление, инерция и т.д.) не являются физическими телами, поэтому их со-стояния постоянны – они просто есть, и всё. И только у материальных объектов, физических тел есть возможность изменять своё со-стояние, потому что они, находясь в движении, постоянно или периодически изменяют своё положение относительно других физических тел в системах отсчёта.
Изменение положения тела связано с пространством, с протяжённостью системы отсчёта в одном, двух или трёх измерениях, а значит, с пространством должно быть связано изменение состояния тела и сохранение его состояния. Именно поэтому мера сохранения состояния покоя (температура покоя «Тп» или просто «р» как механическое давление) определяется отношением внутренней энергии «U» физического тела к объёму тела «V», а мера сохранения состояния движения (температура движения «Тд» или просто «Т» как абсолютная температура тела в системе отсчёта) определяется отношением энергии «W» физического тела к объёму «V», занимаемому этим телом в системе отсчёта,
W=U+Е = ТV,
где U и Е – внутренняя и кинетическая энергия тела, соответственно.


2.
Напомним, что сохранение состояния физического тела в системе отсчёта в любой момент можно выразить одним общим уравнением его внутренней энергии, которое определяет равновесие в данный момент между состоянием тела в качестве «объекта в системе» и состоянием тела как «системы объектов»,
U = Т*Vо*m/m(о) = р*V,
где
U – внутренняя энергия физического тела, величина суммарной способности к действию составляющих тело объектов (частиц),
V – объём физического тела,
р – механическое давление (механическое напряжение) в объёме тела, равное внешнему атмосферному, жидкостному или другому механическому давлению, в зависимости от среды, в которой находится тело, величина сохранения состояния покоя (температура покоя физического тела),
m – масса физического тела,
m(о) – средняя масса одного объекта (частицы, молекулы, атома или др.) в системе физического тела,
m/m(о) = N – количество материальных объектов (частиц или др.) в системе физического тела,
Vо – средний объём, занимаемый в пространстве тела одним объектом (частицей или др.),
Т – установившаяся внутри физического тела температура, как средняя величина сохранения состояния одного объекта (средняя температура движения частиц),
Т*Vо = Wо – средняя энергия одного объекта (частицы или др.).

Необходимо обратить внимание, что объём «Vо», который в пространстве физического тела в среднем занимает один из множества входящих в состав тела объектов (молекула или другая частица), подразумевает не «статичный» собственный объём какого-то объекта (частицы), а объём «динамичный», изменчивый – пространство, в котором эта частица колеблется, вращается или перемещается. Таким образом, этот объём может соответствовать постоянному объёму частицы лишь в тех случаях, когда частица спокойно вращается вокруг своего центра тяжести или колеблется около одной точки, при равномерном движении физического тела и в отсутствие воздействий на него.


3.
К началу 19-го века европейскими учёными (Бойль, Мариотт, Шарль, Дальтон, Гей-Люссак) экспериментально были выявлены основные закономерности, связывающие между собой температуру газа (Т), его объём (V) и механическое давление (р) в газовой среде, получившие название «газовых» законов. Гей-Люссак, Карно, Клапейрон и другие учёные в разное время объединили их в одно уравнение, которое позже, во второй половине 19 века, назвали уравнением Клапейрона
р*V = r*Т.

Коэффициент «r», который связывает в этом уравнении фиксируемые в опытах параметры газа – температуру, механическое давление и объём, – отдельно уточнялся для газов в каждом виде физических опытов, то есть при постоянной температуре опытов с газом это была одна постоянная
р1*V1/Т = р2*V2/Т = r(Т) = const,
при постоянном объёме – другая
V*р1/Т1 = V*р2/Т2 = r(V) = const,
при постоянном механическом давлении – третья
рV1/Т1 = рV2/Т2 = r(р) = const.
Что означает связующий газовые параметры коэффициент, и почему существует подобная связь, учёные объяснить не могли. А при равных значениях всех параметров, то есть при одинаковой температуре и одинаковом механическом давлении для одинакового объёма любого газа этот коэффициент одинаков для любых газов. Это значит, что для конкретных, например, нормальных условий – для 1 литра газа при 0 градусов Цельсия и 760 мм рт.ст. – коэффициент, связывающий газовые параметры, представляет собой газовую константу:
r = Vр/Т = 0,001 м^3 *101325 Па / 273,15 К = 0,37 Па*м^3/К
(те же значения, но в системе СИ – градусы Кельвин, механическое давление Паскаль).

Не только в физических, но и в химических опытах этот факт играет существенную роль, потому что данный коэффициент влияет на количества веществ или объёмы газов, участвующих в химической реакции, а также на скорость диффузии – проникновения одного вещества в другое. Но это ещё не было известно ни англичанину Дальтону, открывшему в 1803 году закон кратных отношений элементов, а позже закон парциальных давлений в газах, ни французу Гей-Люссаку, открывшему в 1808 году закон объёмных соотношений газов, – экспериментально определившим, что атомы различных элементов способны соединяться между собой лишь в определённых соотношениях, и объёмы газов реагируют между собой в определённых соотношениях.


4.
Химические эксперименты проводились в помещениях лабораторий при одинаковом для всех веществ атмосферном давлении и примерно одинаковой окружающей температуре. При этом измеренные объёмы газов, участвующих в опытных химических реакциях и получающихся в результате реакций, относились друг к другу, как целые числа. Этот факт натолкнул графа Авогадро, преподавателя физики и математики в лицее города Верчелли (Королевство Сардиния, Италия) на мысль связать непонятный газовый коэффициент с количеством молекул в объёмах газов, которые задействованы в реакции. Он предположил, что при одинаковых условиях в равных объёмах различных газов содержится равное количество молекул этих газов. Именно этот факт объяснял, по мнению учёного, целочисленность соотношений между газовыми объёмами в химических реакциях. Истинная причина – различие объёмов, занимаемых атомами и молекулами различных газов, – конечно, в то время не могла проясниться, потому что само существование молекул и атомов было ещё под вопросом в учёном сообществе вплоть до начала 20-го века (это наглядно отображено в замечательной статье Алексея Степанова «О науке и мелкой шушере» http://www.proza.ru/2017/07/19/1217).

В то время считалось, что газ – это упругое вещество, имеющее низкую плотность, и потому более подвижное, чем жидкое или твёрдое вещество. О делении вещества на молекулы и атомы многие учёные говорили лишь как о математическом приёме для удобства расчётов, и действительно, как пишет Степанов, в предположении, что вещество состоит из атомов, очень даже сомневались. Кроме того, часть учёных, даже признававших молекулы и атомы, сомневалась в верности предположения Авогадро, ввиду его некоторой нелогичности (тот же Дальтон и другие). Ведь, согласно этому предположению, молярные объёмы любых газов должны быть равны из-за того, что моль любого вещества содержит одинаковое количество молекул. Такой вывод из предположения Авогадро как-то не вписывается в простую логику, которая прослеживается у всех природных закономерностей.

Но факт целочисленности пропорций в соотношениях газовых объёмов в химических реакциях, никак по-другому не объясняемый, эти сомнения заглушал. А ещё «закон Авогадро» с его «одинаковостью» молярных объёмов позволил говорить об универсальной газовой постоянной (R), которая логично выводилась учёными при уточнении уравнения Клапейрона для молярного объёма («V(М)») газа,
r = V*р/Т = V(М)*(m/М)*р/Т,
откуда
р*V(М) = RТ,
где, с учётом измеренной массы газа (m) и его известной молярной массы (М),
R = r*М/m.

Как мы видим, никакой «универсальности» у газовой постоянной, на самом деле, нет, потому что газовый «коэффициент Клапейрона» ( r ) в её составе остался, смысл его остался необъяснённым, и постоянным он оставался лишь в опытах с конкретным газом в конкретных условиях. Поэтому последовавшие за выводом «универсальной газовой постоянной» множественные попытки (в том числе, Менделеева) опытным путём рассчитать её значение как «константы для всех газов»
R = р*V(М)/Т,
не смогли увенчаться успехом, – её вычисленные значения в результатах разных опытов с одним газом и в опытах с разными газами не совпадали.
Объясняется это тем, что при одинаковых температуре (Т) и механическом давлении (р) молярные объёмы различных газов не равны, вопреки предположению графа Авогадро. Молярный объём («V(М)») каждого использованного газа определяется только его молярной массой (М)
М = N(А)*m(о),
которая является суммой (одинаковое для любого газа количество «N(А)», число Авогадро) атомных масс («m(о)») молекул, которые у молекул разных химических веществ различны, и плотностью («ро» - греческая буква) этого газа
«ро» = m/V,
которая у всех реальных газов в одинаковых условиях различна,
V(М) = М/«ро» = N(А)*m(о)/«ро».

Следствием различных попыток создать стройную «газовую» теорию и единую теоретическую базу для физики (термодинамики) и химии в условиях подобной «нестыковки» в начале второй половины 19-го века стало изобретение Клаузиуса – «идеальный газ». Реально «идеальный газ» не существует, но позволяет на основе «закона Авогадро» рассчитать такие «константы», как «постоянный молярный объём любого газа»(!) и «универсальная газовая постоянная»(!), а затем – при экспериментальном (?) определении количества молекул в одном моле вещества – «постоянную Больцмана»(!), такую же выдуманную константу, как и перечисленные в кавычках выше, и ещё некоторые выводимые из них «постоянные».

Выше написанное, конечно, не вяжется с устоявшимися воззрениями и преподаваемыми в школе объяснениями в термодинамике и в химии. Но, к сожалению для современной науки, закон, который «открыл» Амедео Авогадро в начале 19-го века, сегодня, спустя 200 лет придётся «закрывать».


5.
Один кубометр – это придуманная и установленная человеком единица измерения объёма, который занимает в пространстве вещество, то есть любой газ, жидкость или твёрдое вещество. Соответственно, N-ная часть кубометра любого газа, жидкости или твёрдого вещества имеет одинаковый объём, равный «1/N» м^3. Подобную часть вещества можно назвать «объективной единицей объёма» – аналогично термину «атомная единица массы» (а.е.м.), которая равна «1/N(А)» грамм, или «1/1000N(А)» килограмм, где N(А) – число Авогадро. При этом «объективная единица» представляет собой «статичный» объём в виде N-ной части кубометра вещества, то есть объём пространства, не предусматривающий какое-либо движение ввиду каких-то воздействий, а плотность вещества «объективной единицы объёма» равна плотности вещества в нормальных условиях.

Однородное вещество, ограниченное строго в одном кубометре, в земных нормальных условиях атмосферного давления и температуры имеет, как физическое тело, определённую массу «m», поэтому его можно характеризовать конкретной плотностью для этих условий. Вещество, ограниченное нами виртуально в «объективной единице», как N-ная часть вещества, содержащегося в кубометре, находится в несколько других условиях, потому что на него воздействует со всех сторон не воздушная атмосфера, а такие же N-ные части вещества. Следовательно, механическое давление внутри вещества, ограниченного кубометром, для каждой «объективной единицы объёма» может отличаться от атмосферного, а из-за этого может отличаться и температура в «объективной единице», согласно закону Шарля, поскольку объём каждой N-ной части постоянен.

В этих собственных «объективно-единичных» условиях механического давления и температуры, которые или равны, или пропорциональны атмосферному давлению и температуре, N-ная часть вещества имеет определённую массу. Определить её можно лишь одним способом – делением массы вещества в кубометре на произвольно выбранное нами число N, так как мы не можем взвешивать «объективную единицу объёма» ни в граммах, ни в «атомных единицах массы», если число N не определено нами как постоянное (типа числа Авогадро, определяющего отношение между а.е.м. и граммом).


6.
Химическая реакция водорода и кислорода с образованием водного пара, как экспериментально установил Гей-Люссак, происходит при соответственном отношении их объёмов 2:1:2. Это дало повод Амедео Авогадро предположить, что в реакции газов каждые 2 молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют 2 молекулы воды. Почему он так предполагал?
Граф Авогадро делал вывод об относительной атомной массе молекулы газа, исходя из «тяжести» газа, то есть из относительной плотности газов, вычисленной благодаря экспериментально измеренным массам газов в одинаковых (или же разных, но как-то измеренных) объёмах при одинаковых условиях температуры и механического давления. Например, если при одинаковых условиях кубометр кислорода примерно в 16 раз тяжелее кубометра водорода, то и вес молекулы кислорода, считал Авогадро, больше веса молекулы водорода в 16 раз. Это означает, что учёный считал молекулы любых газов одинаковыми по объёму частицами – этакими одинаковыми «кубиками» или «шариками», из которых «шарики» одних газов легче, «шарики» других – тяжелее. То есть молекула газа, с его точки зрения, – это минимальный объём любого газа, «объективная единица объёма», равная «1/N» м^3 (с позиции сегодняшней молекулярной теории, он бы сказал, что «объективная единица объёма» – это минимальный объём, в котором имеет возможность перемещаться лишь одна молекула газа).

Если распространить подобный взгляд на все вещества, в том числе, жидкие и твёрдые, то получится, что если кубометр серебра в 1,334 раза тяжелее кубометра железа, то молекула (атом) железа во столько же раз должна быть легче молекулы (атома) серебра. И если кубометр ртути в 13,546 раз тяжелее кубометра воды, то молекула (атом) ртути во столько же раз должна быть тяжелее молекулы воды. Но количественные измерения веществ в химических опытах показывают, что это не так, и атом железа в 1,93 раза легче атома серебра, а молекула воды в 11,1346 раз легче атома ртути. Поэтому к молекулам жидкого или твёрдого вещества учёные продолжают, со времён Ломоносова, открывшего закон сохранения массы, относиться как к массивным частицам, практически игнорируя их объёмы, а молекулы газообразного вещества или частицы плазмы считают, по примеру Авогадро, частицами объёмными.

Это, конечно, неправильно, и логика подсказывает, что объёмы молекул различных веществ или объёмы атомов различных химических элементов не могут быть равными. Реальная молекула или атом любого вещества при изменении условий (механического давления, температуры) изменяет свой объём. И в конкретных условиях механического давления и температуры молекула каждого вещества имеет, как любое физическое тело, свою определённую «внутримолекулярную» плотность, то есть нельзя говорить о молекуле как «объективной единице объёма». Объективная единица объёма может быть связана лишь с фундаментальной длиной, также как атомная единица массы должна быть связана с фундаментальной массой, а не с произвольно выбранным весом типа «грамм».

При таком взгляде на молекулу вещества становится понятно, почему причины и количественные характеристики таких явлений как диффузия и химическая реакция, то есть физическое и химическое соединение веществ друг с другом или проникновение веществ друг в друга, зависят от поведения молекул (от их движений в различных условиях температуры и механического давления), от состава молекул и от собственных физических характеристик молекул веществ, воздействующих друг на друга.
И именно такой взгляд на молекулу – как на физическое тело, занимающее определённый, в зависимости от условий, объём, – объясняет тот факт, что для каждого состояния вещества изменение объёма при изменении температуры в условиях постоянного земного атмосферного давления имеет свои нижние и верхние пределы, как это выяснил Гей-Люссак конкретно для воды, нагревая её от 0 до 100 градусов Цельсия, то есть от температуры замерзания до температуры кипения. При опускании до нижнего предела каждая молекула жидкого до этого вещества занимает постоянный объём около конкретной точки в пространстве, которое занимает вещество, и вещество переходит в твёрдое состояние. А при достижении верхнего предела каждая молекула жидкого до этого вещества начинает движение по всему объёму вещества, а также объёму пространства, которое способно занять вещество, то есть вещество переходит в газ и начинает испаряться. Соответственно, в жидком состоянии при постоянной температуре каждая молекула вещества, при отсутствии внешних воздействий, перемещается практически лишь в горизонтальной плоскости – по сечению сосуда, в котором находится жидкость.


7.
Вернёмся временно к общему уравнению внутренней энергии физического тела
р*V = Т*V(о)*m/m(о) = U.

Исходя из него и принимая во внимание, что внутренняя энергия (U) есть суммарная величина способностей частиц тела к действию, а температура (Т) есть величина сохранения состояния тела, можно утверждать, что отношение внутренней энергии тела к его температуре показывает суммарный объём, занимаемый частицами тела при их одновременных движениях в пространстве тела,
U/Т = V(о)*m/m(о) = V(о)*N.
Это отношение позволяет взглянуть на теплоёмкость тела и, соответственно, удельную теплоёмкость вещества с иной точки зрения, чем та, которая изначально принята в физике. Любая физическая величина количественно характеризует какое-то конкретное качество, состояние объектов Вселенной или явление Бытия. А что характеризует теплоёмкость тела, что понимать под отношением поглощённой телом теплоты к изменению его температуры?
Поглощённая телом теплота – полученная телом энергия – это величина изменения внутренней энергии тела. Отношение изменения внутренней энергии тела к изменению температуры должно показать, согласно логике, изменение объёма, занимаемого частицами в нагреваемом теле.

Так как теплоёмкость (С) в термодинамике показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания тела на один градус, а при нагревании изменяется либо объём тела, либо механическое давление в его постоянном объёме, то:
1) учитывая, что, согласно закону Гей-Люссака, при постоянном механическом давлении отношение изменяемого объёма к изменяемой температуре есть величина постоянная,
V1/Т1 = V2/Т2 (при р = const),
получим теплоёмкость в изобарном процессе изменения внутренней энергии тела
С(р)= (U2-U1)/(Т2-Т1) = р*(V2-V1)/(Т2-Т1) = р*(V1Т2/Т1-V1)/(Т2-Т1) = р*V1/Т1 = р*V2/Т2 = рV/Т = U/Т,
как отношение внутренней энергии к температуре тела в условиях нестабильного объёма.

2) учитывая, что, согласно закону Шарля, при постоянном объёме отношение механического давления к температуре есть величина постоянная
р1/Т1 = р2/Т2 (при V = const),
получим теплоёмкость в изохорном процессе изменения внутренней энергии тела
С(V)= (U2-U1)/(Т2-Т1) = V*(р2-р1)/(Т2-Т1) = V*(р1Т2/Т1-р1)/(Т2-Т1) = р1*V/Т1 = р2*V/Т2 = рV/Т=U/Т,
как отношение внутренней энергии тела к его температуре в условиях нестабильного давления.

Таким образом, смыслом теплоёмкости как физической величины в любом тепловом процессе является суммарный объём («Vо*N») движения частиц, так называемый «динамичный» объём, занимаемый частицами тела при их движении – либо в «статичном» пространстве (в непосредственном объёме V) тела при изменяющемся механическом давлении, либо при постоянном механическом давлении в изменяющемся объёме. И теперь можно дать теплоёмкости чёткое определение от логической физики.
Теплоёмкость физического тела – это мера необходимого пространства для движения частиц в заданных для физического тела условиях, то есть суммарный объём движения частиц в объёме тела при определённых температуре и механическом давлении
С = Vо*N.
Теплоёмкость в любой момент измерения прямо пропорциональна объёму (V) тела в данный момент и отношению существующих на этот момент условий – механического давления (р) к абсолютной температуре (Т) тела
С = U/Т = V*(р/Т).


8.
Теперь видно и понятно, что теплоёмкость – это именно тот газовый коэффициент ( r ), смысл которого не могли определить Гей-Люссак, Сади Карно, Клапейрон, Менделеев и другие учёные, и который, как мы показали выше, Амедео Авогадро связывал с количеством молекул в реагирующих газах. Учёные 19-го века, в силу недостаточности знаний, просто не могли предположить, что этот коэффициент может показывать объём, который в сумме необходим молекулам газа для свободного перемещения каждой молекулы при данной температуре (Т) и механическом или атмосферном давлении (р) в заданном объёме пространства.

Как объёмная физическая величина, теплоёмкость тела прямо пропорциональна количеству частиц тела и объёму, в среднем занимаемому каждой частицей,
С = Vо*N = Vо*m/m(о).
Так как количество частиц, составляющих физическое тело, рассчитывается из отношения массы тела к средней массе одной частицы, формулу удельной теплоёмкости (с) можно легко получить из уравнения теплоёмкости, разделив последнюю на массу тела и получив при этом величину, обратную «динамичной» плотности частицы
с = С/m = Vо/m(о),
где под «динамичной» плотностью частицы мы имеем в виду отношение массы частицы не к её собственному объёму, а к её «динамичному» объёму – объёму пространства, в котором она перемещается, колеблется или вращается, объёму, который ей необходим для движения.

В термодинамике удельная теплоёмкость определяет количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус. Удельная теплоёмкость экспериментально измеряема и показывает для каждого вещества постоянное значение в определённом интервале температур при нормальном атмосферном давлении. Это можно объяснить следующим образом. Вещество физического тела представлено конкретным соединением химических элементов, поэтому масса («m(о)») частицы вещества – масса атома или атомная масса молекулы вещества – является «вещественной» константой, имея постоянное значение. Вполне естественно, что атом простого вещества или молекула, как сложное соединение вещества, в конкретном интервале температур всегда ведёт себя определённым способом, то есть всегда при нормальном атмосферном давлении занимает вполне определённый, примерно постоянный «динамичный» объём в пространстве. Поэтому «динамичная» плотность частицы – отношение массы частицы вещества к её «динамичному» объёму в определённом интервале температур при нормальном атмосферном (механическом) давлении есть величина постоянная. Соответственно, также постоянной будет в таком интервале температур обратная ей величина – удельная теплоёмкость.

Другое дело, какое определение дать удельной теплоёмкости, как физической величине, с позиции логофизики, если это, по существу константа для каждого вещества в определённых условиях. Если плотность мы считаем мерой вещества, а вещество определяем как материальную среду, занимающую определённый объём физического тела, то отдельно для материальной среды, находящейся в движении, у нас пока определения нет. Соответственно, мы пока не способны дать чёткое определение «динамичной» плотности частицы и величине, ей обратной. Эта задача будет решена позже, в процессе разработки данной темы.


9.
Итак, газовый коэффициент в уравнениях Гей-Люссака, Карно или Клапейрона, который оказался теплоёмкостью, прямо пропорционален количеству (N) молекул газа в используемом для опыта объёме (V) этого газа и также прямо пропорционален объёму («Vо») пространства, которое занимает в своём движении одна молекула газа в условиях опыта,
С = рV/Т = Vо*N,
то есть теплоёмкость газа можно назвать суммарным «молекулярным» (не надо путать с «молярным» объёмом) или «динамичным» объёмом  газа – объёмом, который необходим молекулам газа при данной температуре (Т) и атмосферном или опытном механическом давлении (р) для свободного перемещения каждой молекулы. Этим он отличается от «статичного» объёма (V) – ограниченного пространства, в которое помещён газ в данном опыте. При одинаковых условиях теплоёмкость одинакова у любых газов, находящихся в равных объёмах, то есть в одинаковых по объёму (V) ёмкостях. Например, теплоёмкость любого газа при нормальных условиях
С = рV/Т = V*101,325 кПа / 273,15 К = 0,37095*V (кПа/К).
Количество же молекул (N) определяется отношением массы (m) газа, которая измеряется по факту в используемом в опыте объёме (V) при данной температуре и механическом давлении, к атомной (то есть, не измеряемой, а уже известной) массе одной молекулы («m(о)»), причём фактическую массу газа можно ещё представить фактическим количеством (n) молей газа, где каждый моль содержит конкретное количество (число Авогадро N(А) ) молекул
N = m/m(о) = n*М/m(о) = n*N(А).

Таким образом, идея Амедео Авогадро о связи газового коэффициента с количеством молекул в задействованных для реакции объёмах газов была верна лишь в том, что такая связь действительно есть. Но Авогадро не учёл, что количество (N) реагирующих молекул или атомов может быть обратно пропорционально объёму, который занимает в среднем одна молекула или атом газа («Vо») при данных условиях (температура и механическое давление),
С = Vо*N,
то есть, чем меньше объём, занимаемый частицей в её движении, тем большее количество частиц может поместиться в задействованном для опыта объёме, – это обстоятельство сразу исключает предположение о постоянном равенстве количества молекул в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях. Подобное равенство, конечно, может иметь место, но лишь в отдельных случаях – в определённых условиях температуры и механического давления для определённых  (очевидно, очень схожих по свойствам) газов.
Например, если при одинаковой температуре и одинаковом механическом давлении в условиях земной гравитации (возможно, это важно, потому что не только реакции газов на Луне, Венере или Марсе будут протекать по-разному, но и соотношения газов могут быть другие) объём, занимаемый в движении частицей водорода («Vо_Н»), в 2 раза больше объёма («Vо_О»), занимаемого частицей кислорода,
Vо_Н = 2Vо_О,
то для химической реакции, в которой используется ёмкость кислорода, понадобится две таких же по объёму ёмкости водорода, так как в каждой одинаковой ёмкости помещается в два раза меньше частиц водорода, чем частиц кислорода. Именно поэтому ещё в 1805 году Гей-Люссак определил, что пары воды возникают при соотношении 200 объёмных частей водорода на 100 объёмных частей кислорода. А так как в химической реакции образования воды, по закону кратных отношений Дальтона, одна массовая часть кислорода соединяется всегда только с двумя массовыми частями водорода, то и паров воды в результате получится две ёмкости, которые были изначально заняты водородом – это проявляется в соотношении объёмов реагирующих и получающихся в результате реакции газов
2 : 1 : 2.