Isı sığası oranı

Termal fizik ve termodinamikte, ısı sığası oranı, adyabatik indeks ya da Poisson sabiti, sabit basınçtaki ısı sığasının (CP) sabit hacimdeki ısı sığasına oranıdır (Cv). Bazen izantropik yayılma faktörü olarak da bilinen oran ideal gazlarda γ (gama) gerçek gazlarda κ (kappa), ile gösterilir. Gama sembolü havacılıkta ve kimya mühendisliğinde kullanılır.



Denklemde C gazın ısı sığası c ise özgül ısı sığasıdır (birim kütledeki ısı sığası). P ve Vsonekleri sırasıyla sabit basınç ve sabit hacim koşullarına tekabül eder.
Bu ilişkiyi anlamak için, aşağıdaki düşünce deneyini dikkate alın. Hava içeren kapalı bir pnömatik silindirde piston kilitlidir. İç basınç atmosfer basıncına eşittir. Silindir belirli bir hedef sıcaklığa ısıtılır. Piston hareket edemediğinden dolayı hacim sabittir. Sıcaklık ve basınç yükselir. Hedef sıcaklığa ulaşıldığında, ısıtma durdurulur. Eklenen enerji, kadardır sıcaklık değişimini temsil eder. Pistonun dışa doğru hareketi serbest bırakılır, odanın içi basıncı atmosfer basıncına ulaştığında piston durur. Genişleme ısı değişimi olmaksızın oldu varsayılır (adyabatik genişleme). Silindirin içinde bu işi, yapan hava hedef sıcaklığın altında bir değere düşer. Hedef sıcaklığa (hala serbest bırakılmış piston ile) geri dönmek için, hava ısıtmalıdır, ama piston gaz ısıtıldıkça hareket edeceğinden sistemin hacmi sabit değildir. Bu ekstra ısı önceki miktardan yaklaşık \%40 daha fazladır. Bu örnekte, kilitli piston ile eklenen ısı CV ile orantılı olup eklenen toplam ısı miktar CP ile orantılıdır. Bu nedenle, örnekteki ısı kapasitesi oranı 1.4'tür.
İdeal gaz ilişkileri
İdeal bir gaz için, ısı kapasitesi sıcaklıkla sabittir. Buna göre, biz entalpiyi olarak ve iç enerjiyi olarak ifade edebiliriz. Böylece ısı kapasitesi oranının, iç enerji ile entalpi arasındaki oran olduğu söylenebilir:
Ayrıca, ısı kapasiteleri ısı kapasitesi oranı (γ) ve gaz sabiti (R) oranından ifade edilebilir:
Denklemde n mol olarak madde miktarıdır.
Mayer ilişkisi CV değerini CP üzerinden bulmayı amaçlar:
Serbestlik derecesi ile ilişkisi
Isı kapasitesi oranı (γ) ideal bir gaz molekülünün serbestlik derecesi ( f ) ile aşağıdaki şekilde ilişkilendirilebilir:
Böylece monatomik bir gaz için üç serbestlik derecesi gözlemleriz:
Diğer yandan iki atomlu bir gaz için 5 serbestlik derecesi (oda sıcaklığında: üç ötelenmeli ve iki dönel serbestlik derecesi; titreşimsel serbestlik derecesi yüksek sıcaklıklar hariç göz önünde bulundurulmaz) gözlemlenir:
Örneğin, karasal hava iki atomlu gazlardan oluşur (%78 azot (N2) ve %21 oksijen (O2)) ve standart koşullarda ideal gaz sayılır. Yukarıdaki 1.4 değeri 0-200 C arasında kuru hava için ölçülen adyabatik endekslerle son derece tutarlıdır, sadece %0.2'lik bir sapma gösterir (yukarıdaki tabloya bakınız).
Gerçek gaz ilişkileri
Sıcaklık arttıkça, gaz molekülleri için daha yüksek enerjili dönme ve titreşim hallerine erişilebilirlik sağlanır, böylece serbestlik dereceleri artar ve γdüşer. Gerçek gazlar için, hem CP ve CV artışı sıcaklık artışıyla doğru orantılı olup, artış birbirlerinden farklı sabitlerle ilgilidir (örneğin yukarıda olduğu gibi, ). Bu durum genişleme yoluyla yapılan işin sabit bir PV farkını işaret eder (Sabit basınç ve sabit hacim için). Böylece, bu iki değerin oranı, γ, artan sıcaklık ile azalır.
Termodinamik ifadeler
Pratik mühendislik hesaplamaları için değerlere dayalı yaklaşımlar (özellikle ) birçok durumda yeterince doğru değildir. Örneğin, boru ve vanalar ile debi ölçümü gibi. Deneysel değerler bu yaklaşımlardan daha güvenilirdir. Kesin bir değeri oranı CP/CV CV'nin aşağıdaki gibi elde edilmesiyle hesaplanabilir:
CPmevcut olup kaydedilmiştir, ama CVdeğerleri özgül ısılar arasındaki ilişkiler ile elde edilir.
Değerler ayrıca sonlu fark yaklaşımı ile belirlenebilir.
Adyabatik süreç
Bu oran basit sıkıştırılabilir kalori açısından mükemmel bir ideal gazın izantropik prosesi için önemli bir ilişki sağlar:
burada p basınc, v ise özgül gaz hacmidir.