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  • 比热容

    比热容(specific heat capacity)又称比热容量,简称比热(specific heat),是单位质量物质的热容量,即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。比热容的单位是复合单位。最初是在18世纪,苏格兰的物理学家兼化学家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。水的比热容较大,在工农业生产和日常生活中有广泛的应用。,对于气候的变化有显着的影响。在同样受热或冷却的情况下,水的温度变化小一些,水的这个特征对气候影响很大。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 比热容 英文名: specific heat capacity
    简称: 比热 单位: 焦耳每千克摄氏度
    符号: C 公式 C=Q/m·△t
    变式1: Q=cmΔT 变式2: △t=Q/mc

    目录

    定义/比热容 编辑

    比热容比热容

    一定质量的一物质,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),用符号c表示。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]或焦耳每千克摄氏度[J/(kg·℃)]。J是指焦耳,K是指热力学温标,即令1千克的物质的温度上升(或下降)1开尔文所需的能量。根据此定理,便可得出以下公式:Q=cmΔT。

    △E为吸收的热量,中学的教科书里为Q;m是物体的质量,△T是吸热(放热)后温度所上升(下降)值,初中的教材里把△T写成△t,其实这是很不规范的(我们生活中常用℃作为温度的单位,很少用K,而且△T=△t,因此中学阶段都用△t,但国际上或者更高等的科学领域,还是使用△T)。

    物质的比热容与所进行的过程有关。在工程应用上常用的有定压比热容Cp、定容比热容Cv和饱和状态比热容三种。

    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。

    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。

    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。

    单位/比热容 编辑

    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]每千克开[尔文]”。国际单位或为J/(kg·℃),读作“焦【耳】每千克摄氏度([]内的字可以省略。)

    常用单位:J/(kg·℃)、J/(g·℃)、kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。注意摄氏度和开尔文仅在温标表示上有所区别,在表示温差的量值意义上等价,因此这些单位中的℃和K可以任意互相替换。例如“焦每千克摄氏度”和“焦每千克开”是等价的。

    计算/比热容 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ΔQ时,温度升高(或降低)ΔT,则ΔQ/ΔT称为物体在此过程中的热容量(简称热容),用C表示,即C=ΔQ/ΔT。用热容除以质量,即得比热容c=C/m=ΔQ/mΔT。对于微小过程的热容和比热容,分别有C=dQ/dT,c=1/m*dQ/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Q=∫(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,可近似地看为常量。于是有Q=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。如令温度改变量ΔT=T2-T1,则有Q=cmΔT。这是中学中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:能量=质量×比热×温度变化

    比热容比热容

    可简写为:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,

    与比热相关的热量计算公式:Q=cmΔT 即Q吸(放)=cm(T初-T末) 其中c为比热,m为质量,Q为能量热量。吸热时为Q=cmΔT升(用实际升高温度减物体初温),放热时为Q=cmΔT降(用实际初温减降后温度)。或者Q=cmΔT=cm(T末-T初),Q>0时为吸热,Q<0时为放热。

    比热容比热容

    比热容的计算公式一般为

    (c:比热容;Q:热量;m:物体质量;t:物体末温度;t0:物体初温度)

    比热容比热容

    这是用来计算物体温度升高时的公式。若物体降低时,则是用物体的初温度减去末温度。即

    液态水数据/比热容 编辑

    在实验过程中,液态水的定压比热容经常会被用来计算吸收或放出的热量,水作为最常见的物质,它的比热数据较易获得,当实验要求精度不高时,可近似认为常压下水的定压比热为4.2kJ/KG.K,

    下面给出在不同压力,不同温度下的液态水的定压比热容Cp的数据 (单位:KJ/KG.K)

    压力
    x10 5 Pa
    温度(摄氏度)
    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 4.266 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

    物质/比热容 编辑

    单位质量的某种物质,温度降低1度放出的热量,与它温度升高一度吸收的热量相等,数值上也等于它的比热容。

    比热容比热容
    物质
    化学符号
    模型
    相态
    比热容量(基本) J/(kg·℃)
    比热容量(25℃)J/(kg·K)
    H
    2
    14000
    14300
    He
    1
    5190
    5193.2
    NH 3
    4
    2055
    2050
    Ne
    1
    1030
    1030.1
    Li
    1
    3580
    3582
    乙醇
    C 2 H 5 OH
    9
    2460
    2440
    汽油
    2200
    2220
    石蜡
    CnH 2 n+2
    62至122
    2200
    2500
    甲烷
    CH 4
    5
    2160
    2156
    2000
    2000
    软木塞
    2000
    2000
    乙烷
    C 2 H 6
    8
    1730
    1729
    尼龙
    1700
    1720
    乙炔
    C 2 H 2
    4
    1500
    1511
    聚苯乙烯
    CH 2
    3
    1300
    1300
    硫化氢
    H 2 S
    3
    1100
    1105
    N
    2
    1040
    1042
    空气(室温)
    1030
    1012
    空气(海平面、干燥、0℃)
    1005
    1035
    O
    2
    920
    918
    二氧化碳
    CO 2
    3
    840
    839
    一氧化碳
    CO
    2
    1040
    1042
    Al
    1
    900
    897
    石绵
    840
    847
    陶瓷
    840
    837
    F
    2
    820
    823.9
    750
    750
    石墨
    C
    1
    720
    710
    四氟甲烷
    CF 4
    5
    660
    659.1
    二氧化硫
    SO 2
    3
    600
    620
    玻璃
    600
    840
    Cl 2
    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 ( 水 )
    H 2 O
    3
    1850
    1850
    H 2 O
    3
    4200
    4186
    冰( 水 )
    H 2 O
    3
    2100
    2050 (-10℃)

    理论上说,常见液体和固体物质中,水的比热容最大

    对上表中数值的解释:

    ⑴比热此表中单位为 kj/(kg·℃)/ j/(kg·℃),两单位为千进制1kJ/(kg·℃)/=1×10³J/(kg·℃)

    ⑵水的比热较大,金属的比热更小一些

    ⑶c铝>c钢>c铁>c铅 (c铅

    补充说明:

    ⒈不同的物质有不同的比热容,比热容是物质的一种特性,因此,可以用比热的不同来(粗略地)鉴别不同的物质(注意有部分物质比热相当接近)。

    ⒉同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。如一杯水与一桶水,它们的比热相同。

    ⒊对同一物质,比热值与物态有关,同一物质在同一状态下的比热是一定的(忽略温度对比热的影响),但在不同的状态时,比热是不相同的。例如水的比热与冰的比热不同。

    ⒋在温度改变时,比热容也有很小的变化,但一般情况下可以忽略。比热容表中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。

    ⒌气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系,在体积恒定与压强恒定时不同,故有定容比热容和定压比热容两个概念。但对固体和液体,二者差别很小,一般就不再加以区分。

    常见气体的比热容

    (单位:kJ/(kg·K))

    Cp Cv

    氧气0.9090.649

    氢气14.059.934

    水蒸气1.8421.381

    氮气1.0380.741

    应用/比热容 编辑

    水的比热容较大,在工农业生产和日常生活中有广泛的应用。这个应用主要考虑两个方面,第一是一定质量的水吸收(或放出)很多的热而自身的温度却变化不大,有利于调节气候;第二是一定质量的水升高(或降低)一定温度吸热(或放热)很多,有利于用水作冷却剂或取暖。

    调节气候

    水的比热容较大,对于气候的变化有显着的影响。在同样受热或冷却的情况下,水的温度变化小一些,水的这个特征对气候影响很大,白天沿海地区比内陆地区温升慢,夜晚沿海温度降低少,为此一天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。当环境温度变化较快的时候,水的温度变化相对较慢。生物体内水的比例很高,有助于调节生物体自身的温度,以免温度变化太快对生物体造成严重损害。海陆风的形成原因与之类似。

    1.对气温的影响

    据新华社消息,三峡水库蓄水后,这个世界上最大的人工湖将成为一个天然“空调”,使山城重庆的气候冬暖夏凉。据估计,夏天气温可能会因此下降5℃,冬天气温可能会上升3到4℃。

    2.热岛效应的缓解

    晴朗无风的夏日,海岛上的地面气温,高于周围海上气温,并因此形成海风环流以及海岛上空的积云对流,这是海洋热岛效应的表现。水的比热容是沙石的4倍多。质量相同的水和沙石,要使它们上升同样的温度,水会吸收更多的热量;如果吸收或放出的热量相同,水的温度变化比沙石小得多。夏天,阳光照在海上,尽管海水吸收了许多热量,但是由于它的比热容较大,所以海水的温度变化并不大,海边的气温变化也不会很大。而在沙漠,由于沙石的比热容较小,吸收同样的热量,温度会上升很多,所以沙漠的昼夜温差很大。海岸昼夜温差变化比沙漠中小,适于居住。2010~2013年以来,由于城市人口集中,工业发达,交通拥塞,大气污染严重,且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成,在温度的空间分布上,城市犹如一个温暖的岛屿,从而形成城市热岛效应。在缓解热岛效应方面,专家测算,一个中型城市环城绿化带树苗长成浓荫后,绿化带常年涵养水源相当于一座容积为1.14×10m3的中型水库,由于水的比热容大,能使城区夏季高温下降1℃以上,有效缓解日益严重的“热岛效应”。

    水库的建立,水的增加,而水的比热容大,在同样受冷受热时温度变化较小,从而使夏天的温度不会升得比过去高,冬天的温度不会下降的比过去低,使温度保持相对稳定,从而水库成为一个巨大的“天然空调”。

    冷却或取暖

    1.水冷系统的应用

    人们很早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,然后利用风扇将散发到空气中的热量带走。但水的比热容远远大于空气,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。

    热机(例如汽车的发动机,发电厂的发电机等)的冷却系统也用和水做为冷却液,也是利用了水的比热容大这一特性。

    2.农业生产上的应用

    水稻是喜温作物,在每年三四月份育苗的时候,为了防止霜冻,农民普遍采用“浅水勤灌”的方法,即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。根据水的比热容大的特性,在夜晚降温时,使秧苗的温度变化不大,对秧苗起了保温作用。

    3.热水取暖

    冬季供热用的散热器、暖水袋。我国北方楼房中的“暖气”用水作为介质,把燃料燃烧时产生的热量带到房屋中取暖。

    4.其他

    诸如在炎热的夏天古代皇室用流水从屋顶上流下,起了防暑降温作用;夏威夷是太平洋深处的一个岛,那里气候宜人,是旅游度假的圣地,除了景色诱人之外,还有一个主要原因就是冬暖夏凉。

    其它信息参见词条定压比热容、定容比热容。

    历史/比热容 编辑

    最初是在18世纪,苏格兰的物理学家兼化学家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,曾以水的比热来定义热量,将1克水升高1度所需的热量定义为1卡路里。

    混合物的比热容

    加权平均计算:

    c=ΣC/ΣM=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)。

    气体的比热容

    定义:

    Cp定压比热容:压强不变,温度随体积改变时的热容,Cp=dH/dT,H为焓。

    Cv定容比热容:体积不变,温度随压强改变时的热容,Cv=dU/dT,U为内能。

    则当气体温度为T,压强为P时,提供热量dQ时气体的比热容:

    Cp*m*dT=Cv*m*dT+PDV;

    其中dT为温度改变量,dV为体积改变量。

    理想气体的比热容:

    对于有f个自由度的气体的定容比热容和摩尔比热容是:

    Cv,m=R*f/2

    Cv=Rs*f/2

    R=8.314J/(mol·K)

    迈耶公式:Cp=Cv+R

    比热容比:γ=Cp/Cv

    多方比热容:Cn=Cv-R/(n-1)=Cv*(γ-n)/(1-n)

    对于固体和液体,均可以用比定压热容Cp来测量其比热容,即:C=Cp(用定义的方法测量C=dQ/mdT)。

    Dulong-Petit规律:

    金属比热容有一个简单的规律,即在一定温度范围内,所有金属都有一固定的摩尔热容:

    Cp≈25J/(mol·K)

    所以

    cp=25/M,

    其中M为摩尔质量,比热容单位J/(kg·K)。

    注:当温度远低于200K时关系不再成立,因为对于T趋于0,C也将趋于0。

    相关文献

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