Spezifische Wärmekapazität?
Hallo. Es gibt Stoffe, die mehr Wärme benötigen, bis sie um 1 Kelvin erwärmt werden. Liegt dies an den Freiheitsgraden der unterschiedlichen Stoffe?
2 Antworten
Zunächst und vor allem liegt es daran, dass die spezifische Wärmekapazität pro Masse und nicht pro Mol angegeben wird.
Vergleiche Helium (4 u - 5,19 kJ/kg/K) und Argon (40 u - 0,523 0,523 kJ/kg/K) oder Kupfer (65,5 u - 0,382 kJ/kg/K) und Silber (108 u - 0,235 kJ/kg/K).
Die spezifische Wärmekapazität ist also ziemlich exakt proportional zum Kehrwert der Teilchenmasse.
Allein das erklärt auch zum großen Teil den Unterschied zwischen Wasser (18 u - 4,19 kJ/kg/K) und Ethanol (46 u - 2,6 kJ/kg/K). Der Rest der Erklärung der hohen Wärmekapazität von Wasser ist allgemein die Clusterbildung. Auch in flüssigem Wasser gibt es noch Bereiche, in dem die Moleküle die Eisstruktur beibehalten. Diese Cluster werden mit steigender Temperatur kleiner, was auch die Dichteanomalie erklärt. Diese Cluster wirken selbst als Teilchen, aber haben auch intern Schwingungsmöglichkeiten, also sozusagen zusätzliche Freiheitsgrade.
Man kann auch die Verkleinerung der Cluster mit der Temperatur als verzögertes Schmelzen betrachten, was natürlich auch Schmelzwärme erfordert. Ob das letztlich aufs Gleiche hinausläuft habe ich nicht wirklich durchdacht.
Ansonsten ist mein Wissen etwas diffus. Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade machen sich erst ab einer bestimmten Temperatur bemerkbar, weil auch die gequantelt sind, aber frag nicht nach konkreten Werten. Bei komplexen Stoffgemischen wie Holz bin in dann ganz raus.
Soweit ich weiß, ist die spezifische Wärmekapazität nur bei idealen Gasen von den Freiheitsgraden abhängig. Bei realen Gasen, Feststoffen und Flüssigkeiten sielen noch viele andere Faktoren eine Rolle, wie z.B. die Komplexität der Teilchen, die zwischen den Teilchen wirkenden Kräfte, der Aggregatszustand oder die Temperatur.
Bei flüssigem Wasser spielen z.B. die Wasserstoffbrückenbindungen die Hauptrolle bei der extrem hohen spezifischen Wärmekapazität.