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比热容

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比热容(英语:specific heat capacity,符号c),简称比热,亦称比热容量,是热力学中常用的一个物理量,表示物体吸热或散热能力。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。其国际单位制中的单位是焦耳千克开尔文[J/( kg · K )],即令1公斤的物质的温度上升1开尔文所需的能量。根据此定理,最基本便可得出以下公式:

其中Q是能量,单位是焦耳(J)。m是质量,单位是千克(kg)。 ΔT是温度变化,单位是开尔文(K)。 当比热容越大,该物质便需要更多热能来加热。以为例,水和油的比热容分别约为4200 J/(kg·K)和2000 J/(kg·K),即把水加热所需热能是油所需热能的约2.1倍。若以相同的热能分别把水和油加热的话,油的温升将比水的温升大。

比热容的符号是c,必须为小写,而大写C则为热容的符号。以水为例,一千克(kg)重的需要4200焦耳(J),温度能升高一开尔文(K)。根据比热容,便可得出水的比热容:

国际单位制中,比热容的单位为“焦耳每千克开尔文”。也可读作焦每千克开、焦耳每千克凯尔文、焦耳每公斤克耳文等。写作J/( kg · K )。焦耳每千克摄氏度[J/( kg · ℃ )]与焦耳每千克开尔文在数值上等同。

历史

提出比热容的科学家约瑟夫·布拉克

最初在18世纪,苏格兰物理学家化学家约瑟夫·布拉克发现质量相同的不同物质,上升到相同温度所需的热量不同,而提出了比热容的概念。

几乎任何物质皆可测量比热容,如化学元素化合物合金溶液,以及复合材料

历史上,曾以的比热来定义热量。在标准大气压下,将1克水升高1摄氏度所需的热量定义为1卡路里

定义及公式

比热容是指某物质加热所需的热能,此定理最基本便可得出:

  • 此公式上,是比热容;是所需的热能质量是温差。


加上单位后,比热容便指某物质重一公斤(kg),加热一摄氏度(℃)或热力学温标(K)所需的焦耳(J),也就是比热容的单位:

物质的比热与所进行的过程有关。在工程应用上常用的包括:定压比热容、定容比热容和饱和状态比热容三种。

1.定压比热容:是单位质量的物质在压力不变的条件下,温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

2.定容比热容:是单位质量的物质在容积(体积)不变的条件下,温度升高或下降1℃或1K吸收或放出的内能。

3.饱和状态比热容:是单位质量的物质在某饱和状态时,温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的热量。

比热容计算

设有一质量为m的物体,在某一过程中吸收(或放出)热量ΔH时,温度升高(或降低)ΔT,则ΔH/ΔT称为物体在此过程中的热容量(简称热容),用C表示,即。用热容除以质量,即得比热容。对于微小过程的热容和比热容,分别有,C=1/m*dH/dT。因此,在物体温度由T1变化到T2的有限过程中,吸收(或放出)的热量H=∫(T2,T1)CdT=m∫(T2,T1)cdT。一般情况下,热容与比热容均为温度的函数,但在温度变化范围不太大时,可以近似值视为一常数。于是产生一公式。如令温度改变量,则有。这是用比热容来计算热量的基本公式。

在英文中,比热容被称为:Specific Heat Capacity (SHC)。用比热容计算热能的公式为:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change 可简写为:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,。与比热相关的热量计算公式:即H吸(放)=cm(T初-T末)其中c为比热,m为质量,H为能量热量。吸热时为升(用实际升高温度减物体初温),放热时为降(用实际初温减降后温度)。或者H=cmΔT=cm(T末-T初),H>0时为吸热,H<0时为放热。 (涉及到物态变化时的热量计算不能直接用H=cmΔT,因为不同物质的比热容一般不相同,发生物态变化后,物质的比热容就会有所变化。)

最基本的比热容计算,可以一次实验得出。以下为一例子。首先,将两公斤的倒入一个杯中,然后计算其温度,假设温度为20摄氏度。然后,把水加热,并计算用掉的能量(例如使用电度表)。然后,停止加热,并计算其温度及使用了的能量。假设温度为60摄氏度及能量使用了312千焦耳。然后,运用公式计算出其比热容:

可能最后得出的数字比实际数字有所不同,主要因素是受到外围温度影响。

因素

物质的比热容和热容都会在不同因素下有不同的影响,例如温差物质状态等,主要都是分子压力的差别。

分子

分子运动论

在不同的温度下,物质的比热容都会有所不同,主要是因为分子的压力有所不同。根据分子运动论,当温度增加,分子震动得较快;当温度减少,分子则震动得较慢。此原理亦可指,在不同的压力相态下,物质的比热容亦有不同。

以温差为例,假如在夏天较热的天气下煮,会比冬天较冷的天气下更快沸腾,因为温度较高。

以压强为例,在地球水平线上,大气压强为101.325千帕斯卡,假如在这里煮将于100摄氏度沸腾。但在海拔约8.8公里的珠穆朗玛峰上,大气压强只有月3.2千帕斯卡,假如在这里煮水,水将于69摄氏度沸腾。

相态为例,液态水的比热容是4200J/( kg · K ),而(水的固态)的比热容则是2060J/( kg · K )。

基本物质比热列表

以下列表是各物质的比热容。

物质 化学符号 模型 相态 比热容量(基本)J/(kg·K) 比热容量(20℃)J/(kg·K)
H2 2 14000 14300
He 1 5190 5193.2
NH3 4 2055 2050
Ne 1 1030 1030.1
Li 1 3580 3582
乙醇 CH3CH2OH 9 2460 2440
汽油 2200 2220
石蜡 CnH2n+2 62至122 2200 2500
甲烷 CH4 5 2160 2156
软木塞 2000 2000
乙烷 C2H6 8 1730 1729
尼龙 1700 1720
乙炔 C2H2 4 1500 1511
聚苯乙烯 CH2 3 1300 1300
硫化氢 H2S 3 1100 1105
N2 2 1040 1042
空气(室温) 1030 1012
空气(海平面、干燥、0℃) 1005 1035
O2 2 920 918
二氧化碳 CO2 3 840 839
一氧化碳 CO 2 1040 1042
Al 1 900 897
石绵 840 847
陶瓷 840 837
F2 2 820 823.9
石墨 C 1 720 710
四氟甲烷 CF4 5 660 659.1
二氧化硫 SO2 3 600 620
玻璃 600 840
Cl2 2 520 520
钻石 C 1 502 509.1
450 450
Fe 1 450 444
黄铜 Cu,Zn 380 377
Cu 1 385 386
Ag 1 235 233
Hg 1 139 140
Pt 1 135 135
Au 1 129 126
Pb 1 125 128
水蒸气 H2O 3 1850 1850
H2O 3 4200 4186
H2O 3 2060 2050(-10℃)

用途

冷却剂

人类发现(液态)的比热容约4200,比其它液体较高。因此,便指出是一个较好的冷却剂。例如,用于汽车作散热功能。另外,由于沿海地区的比热容比陆地大,因此,的温差一向比内陆地区的低。同时水也是比较好的保温剂,所以大部分的保暖袋都用水的。

比热的应用与影响

水的比热较大,在气候的变化上有明显的影响。同样受到热或冷却的情况下,水的比热因为比较大所以温度变化较小,水对于气候的影响很大,白天沿海地区比内陆地区升温较慢,在夜间沿海温度降低和变化量少,所以一天当中,沿海地区温度变化小,内陆温度变化大,一年之中夏季内陆比沿海炎热,冬季内陆比沿海寒冷。而因为水比热较大的现象,使得水库往往成为一个巨大的天然空调,对于热带的地区或城市有些微调整气温的功用。

  1. 农业及生产上的应用:水稻是一种喜温的农作物,在每年三四月份育苗的时候,在比较寒冷地区农民为了防止结霜之类的现象,农民普遍采用“浅水勤灌”的方法,就是傍晚在秧田里灌一些水过夜,第二天太阳升起的时候,再把秧田中的水放掉。根据水的比热较大的特性,在夜晚降温时,使秧苗的温度变化不大,对秧苗起了保温及保护的作用。
  2. 建筑居住上的应用:在炎热的夏天古人将水从房屋的顶部倒下,使水往下流,起了防暑降温作用。现今亦有人选择在金属屋顶安装洒水器,利用水的比热较大和蒸发时可以吸收热量的特性,为金属屋顶降温。
  3. 水冷系统的应用:人们在很久以前就开始用水来冷却发热的机器,在电脑CPU散热中可以利用散热片与CPU核心接触,使CPU产生的热量通过热传导的方式传输到散热片上,再利用风扇将散发到空气中的热量带走。但水的比热远远大于空气,因此可以用水代替空气作为散热介质,通过水泵将内能增加的水带走,组成水冷系统。这样CPU产生的热量传输到水中后水的温度不会明显上升,散热性能优于上述直接利用空气和风扇的系统。例如汽车及工厂的一些引擎与马达等等,都利用水来做为冷却系统的冷却液

计算

热能

根据比热容的公式:

经转换后,便能得出:

即透过比热容,便可计算某质量的热能使用。例如一次实验中,四千克重的的温度原先是25摄氏度,经过加热后,温度为45摄氏度。假如要求计算使用了多少能量的话,首先要知道的比热容,若的比热容是4200的话,透过以上公式计算,便可得出:

即是使用了336000焦耳热能。

热容

热容和比热容是两个完全不同的概念。比热容只指一公斤的物质增加一摄氏度所需的热能。即是指假如在实验上,物质的质量有多少都不会改变它的比热容。但热容则指的是某物质增加一摄氏度所需要的热量,这就要把物质的质量考虑进去,比如一杯热容,就比两杯的少。因此,热容和比热容是相关的。热容的符号是H(或用C),比热容的符号则是h(或c),热容和比热容的关系可以以以下公式:

  • m是指物质的质量。

内部链接

参考