比热容

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比热容(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。比热容是单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。其国际单位制中的单位是焦耳公斤开尔文(J kg-1K-1或J kg-1-1,J是指焦耳,K是指热力学温标,与摄氏度℃相等),即令1公斤的物质的温度上升1摄氏度所需的能量。根据此定理,最基本便可得出以下公式:

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

当比热容越大,该物质便需要更多热能加热。以为例,的比热容分别约为4200和2000,即把加热的热能多出约一倍。若以相同的热能分别把加热的话,的温升将比的温升大。

比热容的符号是c,必须为小阶,而大阶C则为热容的符号。以为例,一千克(kg)重的需要4200焦耳(J)来加热一摄氏度(℃或K)。根据比热容,便可得出:

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

历史[编辑]

提出比热容的科学家J.布莱克

最初是在18世纪,苏格兰物理学家化学家J.布莱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,将1克水升高1度所需的热量定义为1卡路里

定义及公式[编辑]

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:

s = \frac{H}{m \Delta T}\,\!
  • 此公式上,s是指比热容;H是指所需的热能m是指质量\Delta T是指温差。

而若加上单位后,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:

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

比热容,也可称作比热。定质量的一物质,在温度升高时,所吸收的热量与该物质的质量和升高的温度乘积之比,称做这种物质的比热容(比热)。在国际单位制中的单位是焦耳每千克凯氏温度(J /(kg·K)或J /(kg·℃),J是指焦耳,K是指热力学温标,与摄氏度℃的计算方式比例相等),即1千克物质的温度上升(或下降)1摄氏度或1K所需的能量。

比热容的单位是复合单位。在国际单位制中,能量、功、热量的主单位统一为焦耳,温度的主单位是开尔文,因此比热容的国际单位为J/(kg·K),读作“焦[耳]每千克凯氏温度”。常用单位包括:J/(kg·℃)、J/(g·℃)、kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。

注意摄氏和凯氏温度仅在温标表示上有所区别,在表示温差的量值意义上相等,因此这些单位中的℃和K可以任意替换。例如“焦耳每千克摄氏度”和“焦每千克凯氏温度”是相等的。

比热容表示物体吸热(或散热)能力的物理量

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Cp、定容比热容Cv和饱和状态比热容三种。

1.定压比热容Cp: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Cv: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[编辑]

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C=ΔH/ΔT。用热容除以质量,即得比热容c=C/m=ΔH/mΔT。对于微小过程的热容和比热容,分别有C=dH/dT,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H=C (T2-T1)=mc (T2-T1)。如令温度改变量ΔT=T2-T1,则有H=cmΔT。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,H=cmΔT。与比热相关的热量计算公式:H=cmΔT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H=cmΔT升(用实际升高温度减物体初温),放热时为H=cmΔT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,把加热,并计算使用了的能量(例如使用焦耳表)。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摄氏度能量使用了312千焦耳。然后,运用公式s = \frac{H}{m \Delta T}\,\!计算出其比热容:

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

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[编辑]

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[编辑]

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。

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,大气压强只有若3.2千帕斯卡,假如在这里煮将于69摄氏度沸腾。

相态为例,液态的比热容是4200,而的固态)的比热容则是2060。

基本物质比热列表[编辑]

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(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
石蜡 CnH2n+2 62至122 2200 2500
甲烷 CH4 5Methane-3D-space-filling.svg 2160 2156
2000 2000
软木塞 2000 2000
乙烷 C2H6 8Ethane-3D-vdW.png 1730 1729
尼龙 1700 1720
乙炔 C2H2 4Acetylene-3D-vdW.png 1500 1511
聚苯乙烯 CH2 3 1300 1300
硫化氢 H2S 3Hydrogen-sulfide-3D-vdW.png 1100 1105
N2 2AX1E0-3D-balls.png 1040 1042
空气(室温) 1030 1012
空气(海平面、干燥、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
石绵 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
钻石 C 1Sphere - monochrome simple.svg 502 509.1
450 450
Fe 1Sphere - monochrome simple.svg 450 444
黄铜 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
水蒸气 H2O 3Water molecule.svg 1850 1850
H2O 3Water molecule.svg 4200 4186
H2O 3Water molecule.svg 2060 2050(-10℃)

用途[编辑]

冷却剂[编辑]

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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[编辑]

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,水对于气候得影响很大,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。

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。例如汽车即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[编辑]

热能[编辑]

根据比热容的公式:

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

经转换后,便能得出:

H = ms \Delta T \,\!

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,四公斤重的的温度原先是25摄氏度,经过加热后,温度为45摄氏度。假如要求取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:

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

即是使用了336000焦耳热能。

热容[编辑]

比热容只指一克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,比热容的符号则是h,热容和比热容的关系可以以以下公式:

H = mh\,\!
H = mc\,\!
  • m是指物质的质量。

内部连结[编辑]

参考[编辑]