比热容
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热力学 |
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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每千克开尔文[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。以水和油为例,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)重的水需要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:
在国际单位制中,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、焦耳每公斤开尔文等。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
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最初在18世纪,苏格兰的物理学家兼化学家约瑟夫·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,曾以水的比热来定义热量。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:
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,将两公斤的水倒入一个杯中,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
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Thermally_Agitated_Molecule.gif/220px-Thermally_Agitated_Molecule.gif)
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,在不同的压力和相态下,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水,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,假如在这里煮水,水将于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。
以相态为例,液态水的比热容是4200J/( kg · K ),而冰(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) |
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氢 | H2 | 2![]() |
气 | 14000 | 14300 |
氦 | He | 1![]() |
气 | 5190 | 5193.2 |
氨 | NH3 | 4![]() |
气 | 2055 | 2050 |
氖 | Ne | 1![]() |
气 | 1030 | 1030.1 |
锂 | Li | 1![]() |
固 | 3580 | 3582 |
乙醇 | CH3CH2OH | 9![]() |
液 | 2460 | 2440 |
汽油 | 混 | 混 | 液 | 2200 | 2220 |
石蜡 | CnH2n+2 | 62至122 | 固 | 2200 | 2500 |
甲烷 | CH4 | 5![]() |
气 | 2160 | 2156 |
软木塞 | 混 | 混 | 固 | 2000 | 2000 |
乙烷 | C2H6 | 8![]() |
气 | 1730 | 1729 |
尼龙 | 混 | 混 | 固 | 1700 | 1720 |
乙炔 | C2H2 | 4![]() |
气 | 1500 | 1511 |
聚苯乙烯 | CH2 | 3 | 固 | 1300 | 1300 |
硫化氢 | H2S | 3![]() |
气 | 1100 | 1105 |
氮 | N2 | 2![]() |
气 | 1040 | 1042 |
空气(室温) | 混 | 混 | 气 | 1030 | 1012 |
空气(海平面、干燥、0℃) | 混 | 混 | 气 | 1005 | 1035 |
氧 | O2 | 2![]() |
气 | 920 | 918 |
二氧化碳 | CO2 | 3![]() |
气 | 840 | 839 |
一氧化碳 | CO | 2![]() |
气 | 1040 | 1042 |
铝 | Al | 1![]() |
固 | 900 | 897 |
石绵 | 混 | 混 | 固 | 840 | 847 |
陶瓷 | 混 | 混 | 固 | 840 | 837 |
氟 | F2 | 2![]() |
气 | 820 | 823.9 |
石墨 | C | 1![]() |
固 | 720 | 710 |
四氟甲烷 | CF4 | 5![]() |
气 | 660 | 659.1 |
二氧化硫 | SO2 | 3![]() |
气 | 600 | 620 |
玻璃 | 混 | 混 | 固 | 600 | 840 |
氯 | Cl2 | 2![]() |
气 | 520 | 520 |
钻石 | C | 1![]() |
固 | 502 | 509.1 |
钢 | 混 | 混 | 固 | 450 | 450 |
铁 | Fe | 1![]() |
固 | 450 | 444 |
黄铜 | Cu,Zn | 混 | 固 | 380 | 377 |
铜 | Cu | 1![]() |
固 | 385 | 386 |
银 | Ag | 1![]() |
固 | 235 | 233 |
汞 | Hg | 1![]() |
液 | 139 | 140 |
铂 | Pt | 1![]() |
固 | 135 | 135 |
金 | Au | 1![]() |
固 | 129 | 126 |
铅 | Pb | 1![]() |
固 | 125 | 128 |
水蒸气(水) | H2O | 3![]() |
气 | 1850 | 1850 |
水 | H2O | 3![]() |
液 | 4200 | 4186 |
冰(水) | H2O | 3![]() |
固 | 2060 | 2050(-10℃) |
用途
冷却剂
水
人类发现水(液态)的比热容约4200,比其它液体较高。因此,便指出水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,岸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。
- 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。
- 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。
- 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电动机等等,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,四千克重的水的温度原先是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,首先要知道水的比热容,若水的比热容是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,比如一杯水的热容,就比两杯水的少。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
- TAO Ping Kee, LEE Hong Moon. New Physics at Work - HEAT. Oxford University Press. 1993. ISBN 0-19-545777-3.
- http://www.hk-phy.org/contextual/heat/tep/temch/island_c.html (页面存档备份,存于互联网档案馆) 水和沙的比热容
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html (页面存档备份,存于互联网档案馆) 比热公式
- http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=AJPIAS000071000011001142000001&idtype=cvips&gifs=yes 比热容单位
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/sphtt.html#c1 (页面存档备份,存于互联网档案馆) 比热容物质列表