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比熱容

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比熱容(Specific Heat Capacity),用符號c表示,又稱比熱容量,簡稱比熱(specific heat),是單位質量物質的熱容量,即單位質量物體改變單位温度時吸收或放出的熱量。
利用比熱容的概念可以類推出表示1mol物質升高1K所需的熱量的摩爾熱容。而在等壓條件下的摩爾熱容Cp稱為定壓摩爾熱容。在等容條件下的摩爾熱容Cv稱為定容摩爾熱容。通常將定壓摩爾熱容與温度的關係,關聯成多項式。 [1] 
中文名
比熱容
外文名
specific heat capacity [2] 
別    名
比熱容量
簡    稱
比熱
單    位
焦耳每千克攝氏度[J /(kg·℃)]
符    號
c
計算式
c=Q/m(t-t0)
國際(SI)單位
焦耳每千克開爾文[Jkg-1K-1] [2] 
比熱容熱力學中常用的一個物理量,表示物質提高温度所需熱量的能力,而不是吸收或者散熱能力。它指單位質量的某種物質升高(或下降)單位温度所吸收(或放出)的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳千克開爾文[Jkg-1K-1],即令1kg的物質的温度上升1開爾文所需的熱量。根據此定理,最基本便可得出以下公式:
物質的比熱容越大,相同質量和温升時,需要更多熱能。以為例,的比熱容分別約為4200 Jkg-1K-1和2000 Jkg-1K-1,即把相同質量的加熱的熱能多出約一倍。若以相同的熱能分別把相同質量的加熱的話,的温升將比的温升大。
卡諾定理指出,可逆循環效率只與高温熱源和低温熱源的温度有關,而與工作物質(工質)或工作路徑等其它因素無關。
熱力學温度又被稱為絕對温度,是熱力學和統計物理中的重要參數之一。一般所説的絕對零度便是對應-273.15攝氏度。

比熱容學科定義

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一定質量的物質,在温度升高時,所吸收的熱量與該物質的質量和升高的温度乘積之比,稱作這種物質的比熱容(比熱),用符號c表示。其國際單位制中的單位是焦耳千克開爾文[J/(kg·K)]或焦耳每千克每攝氏度[J/(kg·℃)]。J是指焦耳,K是指熱力學温標,即令1千克的物質的温度上升(或下降)1開爾文所需的能量。根據此定理,便可得出以下公式:
Q為吸收(或放出)的熱量;m是物體的質量,ΔT是吸熱(或放熱)後温度的變化量,初中的教材裏把ΔT寫成Δt,其實這是不規範的(我們生活中常用℃作為温度的單位,很少用K,而且ΔT=Δt,因此中學階段都用Δt,但國際或更高等的科學領域仍用ΔT)。
物質的比熱容與所進行的過程有關。在工程應用上常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容三種。
定壓比熱容Cp:是單位質量的物質在壓力不變的條件下,温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。
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,温度升高或下降1℃或1K吸收或放出的能量。
飽和狀態比熱容:是單位質量的物質在某飽和狀態時,温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。

比熱容單位

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比熱容的單位是複合單位。
國際單位制中,能量、、熱量的主單位統一為焦耳,温度的主單位是開爾文,因此比熱容的國際單位為J·kg-1 ·K-1,讀作“焦[耳]每千克開[爾文]”。國際單位或為J/(kg·℃),讀作“焦[耳]每千克攝氏度([]內的字可以省略)。
常用單位:J/(kg·℃)、J/(g·℃)、kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。注意攝氏度和開爾文僅在温標表示上有所區別,在表示温差的量值意義上等價,因此這些單位中的℃和K可以任意互相替換。例如“焦每千克攝氏度”和“焦每千克開”是等價的。

比熱容計算

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設有一質量為m的物體,在某一過程中吸收(或放出)熱量ΔQ時,温度升高(或降低)ΔT,則ΔQ/ΔT稱為物體在此過程中的熱容量(簡稱熱容),用C表示,即
用熱容除以質量,即得比熱容
對於微小過程的熱容和比熱容,分別有
因此,在物體温度由T1變化到T2的有限過程中,吸收(或放出)的熱量
一般情況下,熱容與比熱容均為温度的函數,但在温度變化範圍不太大時,可近似地看為常量。於是有
如令温度改變量
則有:
這是中學中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:能量=質量×比熱×温度變化
可簡寫為:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,
與比熱相關的熱量計算公式:Q=cmΔT,即Q吸(放)=cm(T初-T末),其中c為比熱,m為質量,Q為能量熱量。吸熱時為Q=cmΔT升(用實際升高温度減物體初温),放熱時為Q=cmΔT降(用實際初温減降後温度)。或者Q=cmΔT=cm(T末-T初),Q>0時為吸熱,Q<0時為放熱。
比熱容的計算公式一般為
c表示比熱容
m表示物體的質量
to表示物體的初温
t表示物體的末温
(△t:物體變化温度,即t-t0)
這是用來計算物體温度升高時的公式。若物體降低時,則是用物體的初温度減去末温度。
比熱容的計算公式也寫作

比熱容液態水數據

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在實驗過程中,液態水的定壓比熱容經常會被用來計算吸收或放出的熱量,水作為最常見的物質,它的比熱數據較易獲得,當實驗要求精度不高時,可近似認為常壓下水的定壓比熱為4.2kJ/(kg·℃)。
下面給出在不同壓力,不同温度下的液態水的定壓比熱容Cp的數據(單位:kJ/(kg·℃))
不同壓力,不同温度下的液態水的定壓比熱容
壓力
x10^5 Pa
温度(攝氏度)
0
20
50
100
150
200
250
300
350
1
4.217
4.182
4.181






5
4.215
4.181
4.180
4.215
4.310




10
4.212
4.179
4.179
4.214
4.308




50
4.191
4.166
4.170
4.205
4.296
4.477
4.855
3.299

100
4.165
4.151
4.158
4.194
4.281
4.450
4.791
5.703
4.042
150
4.141
4.137
4.148
4.183
4.251
4.425
4.735
5.495
8.863
200
4.117
4.123
4.137
4.173
4.252
4.402
4.685
5.332
8.103
250
4.095
4.109
4.127
4.163
4.239
4.379
4.639
5.201
7.017
300
4.073
4.097
4.117
4.153
4.226
4.358
4.598
5.091
6.451

比熱容物質

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單位質量的某種物質,温度降低1度放出的熱量,與它温度升高一度吸收的熱量相等,數值上也等於它的比熱容。
物質
化學符號
模型
狀態
比熱容量(基本) J/(kg·℃)
比熱容量(25℃)J/(kg·K)
H
2
14000
14300
He
1
5190
5193.2
NH3
4
2055
2050
Ne
1
1030
1030.1
Li
1
3580
3582
乙醇
C2H5OH
9
2460
2440
汽油
2200
2220
CnH2n+2
62至122
2200
2500
甲烷
CH4
5
2160
2156
2000
2000
2000
2000
C2H6
8
1730
1729
1700
1720
C2H2
4
1500
1511
CH2
3
1300
1300
H2S
3
1100
1105
N
2
1040
1042
空氣(室温)
1030
1012
空氣(海平面、乾燥、0℃)
1005
1035
O
2
920
918
二氧化碳
CO2
3
840
839
一氧化碳
CO
2
1040
1042
Al
1
900
897
840
847
陶瓷
840
837
F
2
820
823.9
750
750
石墨
C
1
720
710
CF4
5
660
659.1
二氧化硫
SO2
3
600
620
600
840
Cl2
2
520
520
鑽石
C
1
502
509.1
460
450
Fe
1
460
444
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
H2O
3
1850
1850
H2O
3
4200
4186
冰(固態
H2O
3
2100
2050 (-10℃)
理論上説,常見液體和固體物質中,水的比熱容最大
對上表中數值的解釋:
⑴比熱此表中單位為 kJ/(kg·℃)/ J/(kg·℃),兩單位為千進制1kJ/(kg·℃)/=1×10³J/(kg·℃)
⑵水的比熱較大,金屬的比熱更小一些
⑶c鋁>c鋼>c鐵>c鉛
補充説明:
1.不同的物質有不同的比熱容,比熱容是物質的一種特性,因此,可以用比熱的不同來(粗略地)鑑別不同的物質(注意有部分物質比熱相當接近)。
2.同一物質的比熱一般不隨質量、形狀的變化而變化。如一杯水與一桶水,它們的比熱相同,即比熱容為強度性質。
3.對同一物質,比熱值與物態有關,同一物質在同一狀態下的比熱是一定的(忽略温度對比熱的影響),但在不同的狀態時,比熱是不相同的。例如水的比熱與冰的比熱不同。
4.在温度改變時,比熱容也有很小的變化,但一般情況下可以忽略。比熱容表中所給的比熱數值是這些物質在常温下的平均值。
5.氣體的比熱容和氣體的熱膨脹有密切關係,在體積恆定與壓強恆定時不同,故有定容比熱容定壓比熱容兩個概念。但對固體和液體,二者差別很小,一般就不再加以區分。
常見氣體的比熱容
(單位:kJ/(kg·K))
Cp  Cv
氧氣0.909 0.649
氫氣14.05 9.934
水蒸氣1.842 1.381
氮氣1.038 0.741

比熱容應用

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水的比熱容較大,在工農業生產和日常生活中有廣泛的應用。這個應用主要考慮兩個方面,第一是一定質量的水吸收(或放出)很多的熱而自身的温度卻變化不大,有利於調節氣候;第二是一定質量的水升高(或降低)一定温度吸熱(或放熱)很多,有利於用水作冷卻劑或取暖。

比熱容調節氣候

水的比熱容較大,對於氣候的變化有顯著的影響。在同樣受熱或冷卻的情況下,水的温度變化較小,水的這個特徵對氣候影響很大,白天沿海地區比內陸地區升温慢,夜晚沿海温度降低少,為此一天中沿海地區温度變化小,內陸温度變化大,一年之中夏季內陸比沿海炎熱,冬季內陸比沿海寒冷。當環境温度變化較快的時候,水的温度變化相對較慢。生物體內水的比例很高,有助於調節生物體自身的温度,以免温度變化太快對生物體造成嚴重損害。海陸風的形成原因與之類似。
1.對氣温的影響
據新華社消息,三峽水庫蓄水後,這個世界上最大的人工湖將成為一個天然“空調”,使山城重慶的氣候冬暖夏涼。據估計,夏天氣温可能會因此下降5℃,冬天氣温可能會上升3到4℃。
2.熱島效應的緩解
晴朗無風的夏日,海島上的地面氣温,高於周圍海上氣温,並因此形成海風環流以及海島上空的積雲對流,這是海洋熱島效應的表現。水的比熱容是沙石的4倍多。質量相同的水和沙石,要使它們上升同樣的温度,水會吸收更多的熱量;如果吸收或放出的熱量相同,水的温度變化比沙石小得多。夏天,陽光照在海上,儘管海水吸收了許多熱量,但是由於它的比熱容較大,所以海水的温度變化並不大,海邊的氣温變化也不會很大。而在沙漠,由於沙石的比熱容較小,吸收同樣的熱量,温度會上升很多,所以沙漠的晝夜温差很大。海岸晝夜温差變化比沙漠中小,適於居住。2010~2013年以來,由於城市人口集中,工業發達,交通擁塞,大氣污染嚴重,且城市中的建築大多為石頭和混凝土建成,在温度的空間分佈上, 城市猶如一個温暖的島嶼,從而形成城市熱島效應。在緩解熱島效應方面,專家測算,一箇中型城市環城綠化帶樹苗長成濃蔭後,綠化帶常年涵養水源相當於一座容積為1.14×10m3的中型水庫,由於水的比熱容大,能使城區夏季高温下降1℃以上,有效緩解日益嚴重的“熱島效應”。
水庫的建立,水的增加,而水的比熱容大,在同樣受冷受熱時温度變化較小,從而使夏天的温度不會升得比過去高,冬天的温度不會下降得比過去低,使温度保持相對穩定,從而水庫成為一個巨大的“天然空調”。

比熱容應用

1.水冷系統的應用
人們很早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,然後利用風扇將散發到空氣中的熱量帶走。但水的比熱容遠遠大於空氣,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温度不會明顯上升,散熱性能優於上述直接利用空氣和風扇的系統。
武器:第一次世界大戰第二次世界大戰當中,一些武器使用的是水冷式槍管;一些戰鬥機和轟炸機的引擎使用的是水冷式引擎。
熱機(例如汽車的發動機,發電廠的發電機等)的冷卻系統也用和水做為冷卻液,也是利用了水的比熱容大這一特性。
2.農業生產上的應用
水稻是喜温作物,在每年三四月份育苗的時候,為了防止霜凍,農民普遍採用“淺水勤灌”的方法,即傍晚在秧田裏灌一些水過夜,第二天太陽昇起的時候,再把秧田中的水放掉。根據水的比熱容大的特性,在夜晚降温時,使秧苗的温度變化不大,對秧苗起了保温作用。
3.熱水取暖
冬季供熱用的散熱器、暖水袋。我國北方樓房中的“暖氣”用水作為介質,把燃料燃燒時產生的熱量帶到房屋中取暖。
4.其他
諸如在炎熱的夏天古代皇室用流水從屋頂上流下,起了防暑降温作用。
其它信息參見詞條定壓比熱容定容比熱容

比熱容歷史背景

編輯
最初是在18世紀,蘇格蘭的物理學家兼化學家約瑟夫·布萊克發現質量相同的不同物質,上升到相同温度所需的熱量不同,而提出了比熱容的概念。幾乎任何物質皆可測量比熱容,如化學元素、化合物、合金、溶液,以及複合材料
歷史上,曾以的比熱容來定義熱量,將1克水升高1度所需的熱量定義為1卡路里
參考資料
  • 1.    崔克清.安全工程大辭典:化學工業出版社,1995年:234
  • 2.    David Sang, Graham Jones, Gurinder Chadha and Richard Woodside.Cambridge International AS and A Level Physics Coursebook.Cambridge:Cambridge University Press,2014:336