比熱容

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比熱容(Specific Heat Capacity,符號c),簡稱比熱,亦稱比熱容量,是熱力學中常用的一个物理量。比熱容是單位質量的某種物質升高單位温度所需的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳公斤開爾文(J kg-1K-1或J kg-1-1,J是指焦耳,K是指熱力學溫標,與攝氏度℃相等),即令1公斤的物質的溫度上升1攝氏度所需的能量。根據此定理,最基本便可得出以下公式:

c = \frac{E}{m \Delta T}\,\!

當比熱容越大,該物質便需要更多熱能加熱。以為例,的比熱容分別约为4200和2000,即把加熱的熱能多出約一倍。若以相同的熱能分別把加熱的話,的温升將比的温升大。

比熱容的符號是c,必須為小階,而大階C則為熱容的符號。以為例,一千克(kg)重的需要4200焦耳(J)來加熱一攝氏度(℃或K)。根據比熱容,便可得出:

c = 4200J\,kg^{-1}\,K^{-1}\,\!

歷史[编辑]

提出比熱容的科學家J.布萊克

最初是在18世紀,蘇格蘭物理學家化學家J.布萊克發現質量相同的不同物質,上升到相同溫度所需的熱量不同,而提出了比熱容的概念。

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,将1克水升高1度所需的热量定义为1卡路里

定義及公式[编辑]

比熱容是指某物質加熱所需的熱能,此定理最基本便可得出:

s = \frac{H}{m \Delta T}\,\!
  • 此公式上,s是指比熱容;H是指所需的熱能m是指質量\Delta T是指溫差。

而若加上單位後,比熱容便指某物質重一公斤(kg),加熱一攝氏度(℃)或熱力學溫標(K)所需的焦耳(J),也就是比熱容的單位:

J \, kg^{-1} \, ^\circ C^{-1} \,\!

比熱容,也可稱作比熱。定質量的一物質,在溫度升高時,所吸收的熱量與該物質的質量和升高的溫度乘積之比,稱做這種物質的比熱容(比熱)。在國際單位制中的單位是焦耳每千克凱氏溫度(J /(kg·K)或J /(kg·℃),J是指焦耳,K是指熱力學溫標,與攝氏度℃的計算方式比例相等),即1千克物質的溫度上升(或下降)1攝氏度或1K所需的能量。

比熱容的單位是複合單位。在國際單位制中,能量、功、熱量的主單位統一為焦耳,溫度的主單位是開爾文,因此比熱容的國際單位為J/(kg·K),讀作“焦[耳]每千克凱氏溫度”。常用單位包括:J/(kg·℃)、J/(g·℃)、kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。

注意攝氏和凱氏溫度僅在溫標表示上有所區別,在表示溫差的量值意義上相等,因此這些單位中的℃和K可以任意替換。例如“焦耳每千克攝氏度”和“焦每千克凱氏溫度”是相等的。

比熱容表示物體吸熱(或散熱)能力的物理量

物質的比熱與所進行的過程有關。在工程應用上常用的包括:定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容三種。

1.定壓比熱容Cp:是單位質量的物質在壓力不變的條件下,溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

2.定容比熱容Cv:是單位質量的物質在容積(體積)不變的條件下,溫度升高或下降1℃或1K吸收或放出的內能。

3.飽和狀態比熱容:是單位質量的物質在某飽和狀態時,溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。

比熱容計算[编辑]

設有一質量為m的物體,在某一過程中吸收(或放出)熱量ΔH時,溫度升高(或降低)ΔT,則ΔH/ΔT稱為物體在此過程中的熱容量(簡稱熱容),用C表示,即C=ΔH/ΔT。用熱容除以質量,即得比熱容c=C/m=ΔH/mΔT。對於微小過程的熱容和比熱容,分別有C=dH/dT,C=1/m*dH/dT。因此,在物體溫度由T1變化到T2的有限過程中,吸收(或放出)的熱量H=∫(T2,T1)CdT=m∫(T2,T1)cdT。一般情況下,熱容與比熱容均為溫度的函數,但在溫度變化範圍不太大時,可以近似值視為一常數。於是產生一公式H=C (T2-T1)=mc (T2-T1)。如令溫度改變量ΔT=T2-T1,則有H=cmΔT。這是用比熱容來計算熱量的基本公式。

在英文中,比熱容被稱為:Specific Heat Capacity (SHC)。用比熱容計算熱能的公式為:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change 可簡寫為:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,H=cmΔT。與比熱相關的熱量計算公式:H=cmΔT即H吸(放)=cm(T初-T末)其中c為比熱,m為質量,H為能量熱量。吸熱時為H=cmΔT升(用實際升高溫度減物體初溫),放熱時為H=cmΔT降(用實際初溫減降後溫度)。或者H=cmΔT=cm(T末-T初),H>0時為吸熱,H<0時為放熱。 (涉及到物態變化時的熱量計算不能直接用H=cmΔT,因為不同物質的比熱容一般不相同,發生物態變化後,物質的比熱容就會有所變化。)

最基本的比熱容計算,可以一次實驗得出。以下為一例子。首先,將兩公斤的倒入一個杯中,然後計算其溫度,假設溫度為20攝氏度。然後,把加熱,並計算使用了的能量(例如使用焦耳錶)。然後,停止加熱,並計算其溫度及使用了的能量。假設溫度為60攝氏度能量使用了312千焦耳。然後,運用公式s = \frac{H}{m \Delta T}\,\!計算出其比熱容:

s = \frac{312000}{2 \times (60-20)}\,\!
= 3900 J \, kg^{-1} \, ^\circ C^{-1}\,\!

可能最後得出的數字比實際數字有所不同,主要因素是受到外圍溫度影響。

因素[编辑]

物質的比熱容和熱容都會在不同因素下有不同的影響,例如溫差物質狀態等,主要都是分子壓力的差別。

分子[编辑]

在不同的溫度下,物質的比熱容都會有所不同,主要是因為分子的壓力有所不同。根據分子運動論,當溫度增加,分子震動得較快;當溫度減少,分子則震動得較慢。此原理亦可指,在不同的壓力相態下,物質的比熱容亦有不同。

以溫差為例,假如在夏天較熱的天氣下煮,會比冬天較冷的天氣下更快沸騰,因為溫度較高。

壓强為例,在地球水平線上,大氣壓强為101.325千帕斯卡,假如在這裡煮將於100攝氏度沸騰。但在海拔約8.8公里的珠穆朗瑪峰上,大氣壓强只有若3.2千帕斯卡,假如在這裡煮將於69攝氏度沸騰。

相態為例,液態的比熱容是4200,而的固態)的比熱容則是2060。

基本物質比熱列表[编辑]

以下列表是各物質的比熱容。

物質 化學符號 模型 相態 比熱容量(基本)J/(kg·K) 比熱容量(25℃)J/(kg·K)
H2 2Nitrogen-3D-vdW.png 14000 14300
He 1Sphere - monochrome simple.svg 5190 5193.2
NH3 4Ammonia-3D-vdW.png 2055 2050
Ne 1Sphere - monochrome simple.svg 1030 1030.1
Li 1Sphere - monochrome simple.svg 3580 3582
乙醇 CH3CH2OH 9Ethanol-3D-vdW.png 2460 2440
汽油 2200 2220
石蠟 CnH2n+2 62至122 2200 2500
甲烷 CH4 5Methane-3D-space-filling.svg 2160 2156
2000 2000
軟木塞 2000 2000
乙烷 C2H6 8Ethane-3D-vdW.png 1730 1729
尼龍 1700 1720
乙炔 C2H2 4Acetylene-3D-vdW.png 1500 1511
聚苯乙烯 CH2 3 1300 1300
硫化氫 H2S 3Hydrogen-sulfide-3D-vdW.png 1100 1105
N2 2AX1E0-3D-balls.png 1040 1042
空氣(室溫) 1030 1012
空氣(海平面、乾燥、0℃) 1005 1035
O2 2AX1E0-3D-balls.png 920 918
二氧化碳 CO2 3Carbon-dioxide-3D-vdW.svg 840 839
一氧化碳 CO 2Carbon-monoxide-3D-vdW.png 1040 1042
Al 1Sphere - monochrome simple.svg 900 897
石綿 840 847
陶瓷 840 837
F2 2AX1E0-3D-balls.png 820 823.9
750 750
石墨 C 1Sphere - monochrome simple.svg 720 710
四氟甲烷 CF4 5Tetrafluoromethane-3D-vdW.png 660 659.1
二氧化硫 SO2 3Sulfur-dioxide-3D-vdW.png 600 620
玻璃 600 840
Cl2 2AX1E0-3D-balls.png 520 520
鑽石 C 1Sphere - monochrome simple.svg 502 509.1
450 450
Fe 1Sphere - monochrome simple.svg 450 444
黃銅 Cu,Zn 380 377
Cu 1Sphere - monochrome simple.svg 385 386
Ag 1Sphere - monochrome simple.svg 235 233
Hg 1Sphere - monochrome simple.svg 139 140
Pt 1Sphere - monochrome simple.svg 135 135
Au 1Sphere - monochrome simple.svg 129 126
Pb 1Sphere - monochrome simple.svg 125 128
水蒸氣 H2O 3Water molecule.svg 1850 1850
H2O 3Water molecule.svg 4200 4186
H2O 3Water molecule.svg 2060 2050(-10℃)

用途[编辑]

冷卻劑[编辑]

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人類發現(液態)的比熱容約4200,比其它液體較高。因此,便指出是一個較好的冷卻劑。例如,用於汽車作散熱功能。另外,由於沿海地区的比熱容比陸地大,因此,的溫差一向比內陸地區的低。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。

比熱的應用與影響[编辑]

水的比熱較大,在氣候的變化上有明顯的影響。同樣受到熱或冷卻的情況下,水的比熱因為比較大所以溫度變化較小,水對於氣候得影響很大,白天沿海地區比內陸地區升溫較慢,在夜間沿海溫度降低和變化量少,所以一天當中,沿海地區溫度變化小,內陸溫度變化大,一年之中夏季內陸比沿海炎熱,冬季內陸比沿海寒冷。而因為水比熱較大的現象,使得水庫往往成為一個巨大的天然空調,對於熱帶的地區或城市有些微調整氣溫的功用。

1.農業及生產上的應用 水稻是一種喜溫的農作物,在每年三四月份育苗的時候,在比較寒冷地區農民為了防止結霜之類的現象,農民普遍採用“淺水勤灌”的方法,就是傍晚在秧田裡灌一些水過夜,第二天太陽升起的時候,再把秧田中的水放掉。根據水的比熱較大的特性,在夜晚降溫時,使秧苗的溫度變化不大,對秧苗起了保溫及保護的作用。

2.建築居住上的應用 在炎熱的夏天古人將水從房屋的頂部倒下,使水往下流,起了防暑降溫作用。

3.水冷系統的應用 人們在很久以前就開始用水來冷卻發熱的機器,在電腦CPU散熱中可以利用散熱片與CPU核心接觸,使CPU產生的熱量通過熱傳導的方式傳輸到散熱片上,再利用風扇將散發到空氣中的熱量帶走。但水的比熱遠遠大於空氣,因此可以用水代替空氣作為散熱介質,通過水泵將內能增加的水帶走,組成水冷系統。這樣CPU產生的熱量傳輸到水中後水的溫度不會明顯上升,散熱性能優於上述直接利用空氣和風扇的系統。例如汽車即工廠的一些引擎與馬達等等,都利用水來做為冷卻系統的冷卻液。

計算[编辑]

熱能[编辑]

根據比熱容的公式:

s = \frac{H}{m \Delta T} \,\!

經轉換後,便能得出:

H = ms \Delta T \,\!

即透過比熱容,便可計算某質量的熱能使用。例如一次實驗中,四公斤重的的溫度原先是25攝氏度,經過加熱後,溫度為45攝氏度。假如要求取使用了多少能量的話,首先要知道的比熱容,若的比熱容是4200的話,透過以上公式計算,便可得出:

H = 4 \times 4200 \times (45-25) \,\!
= 336000 J \,\!

即是使用了336000焦耳熱能。

熱容[编辑]

比熱容只指一克的物質增加一攝氏度所需的熱能。即是指假如在實驗上,物質的質量有多少都不會改變它的比熱容。但熱容則指的是某物质增加一摄氏度所需要的热量,这就要把物質的質量考虑进去,比如一杯熱容,就比兩杯的少。因此,熱容和比熱容是相關的。熱容的符號是H,比熱容的符號則是h,熱容和比熱容的關係可以以以下公式:

H = mh\,\!
H = mc\,\!
  • m是指物質的質量。

內部連結[编辑]

參考[编辑]