比熱容(specific heat capacity)又稱比熱容量,簡稱比熱(specific heat),是單位質量物質的熱容量,即使單位質量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內能。比熱容是表示物質熱性質的物理量。通常用符號c表示。
定義
比熱容測試儀
比熱容是單位質量的某種物質升單位溫度所需的熱量。其際單位制中的單位是焦耳每千克攝氏度(J /(kg·K) 或 J /(kg·℃),J是焦耳,K是熱力學溫標,與攝氏度℃相等),即令1千克的物質的溫度上升(或下降)1攝氏度所需的能量。根據此定理,zui基本便可得出以下公式:
c=ΔE/mΔT(T末-T初)(中學教科書上是c=Q/m⊿t)
ΔE為吸收的熱量,中學的教科書里為Q;m是物體的質量,⊿T是吸熱(放熱)后溫度所上升(下降)值,初中的教材里把ΔT寫成Δt,其實這是很不規范的(我們生活中常用℃作為溫度的單位,很少用K,而且ΔT=Δt因此中學階段都用⊿t,但際上或者更等的域,還是使用⊿T)。
物質的比熱容與所行的過程有關。在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,溫度升或下降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,溫度升或下降1℃或1K吸收或放出的內能。
飽和狀態比熱容:是單位質量的物質在某飽和狀態時,溫度升或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。
單位
比熱容的單位是復合單位。
在際單位制中,能量、、熱量的主單位統為焦耳,溫度的主單位是開爾文,因此比熱容的際單位為J/(kg·K),讀作"焦[耳]每千克開[爾文]"。([]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溫標表示上有所區別,在表示溫差的量值意義上等價,因此這些單位中的℃和K可以意互相替換。例如"焦每千克攝氏度"和"焦每千克開"是等價的。
比熱容表示物體吸熱(或散熱)能力的物理量
計算
設有質量為m的物體,在某過程中吸收(或放出)熱量ΔQ時,溫度升(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C=ΔQ/ΔT。用熱容除以質量,即得比熱容c=C/m=ΔQ/mΔT。對于微小過程的熱容和比熱容,分別有C=dQ/dT,c=1/m*dQ/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Q=∫(T2,T1)CdT=m∫(T2,T1)cdT。
般情況下,熱容與比熱容均為溫度的函數,但在溫度變化范圍不太大時,可近似地看為常量。于是有Q=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。如令溫度改變量ΔT=T2-T1,則有Q=cmΔT。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:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change
可簡寫為:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,Q=cmΔT。
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(用實際升溫度減物體初溫),放熱時為Q=cmΔT降(用實際初溫減降后溫度)?;蛘逹=cmΔT=cm(T末-T初),Q>0時為吸熱,Q<0時為放熱。
(涉及到物態變化時的熱量計算不能直接用Q=cmΔT,因為不同物質的比熱容般不同,發生物態變化后,物質的比熱容變化了。)
歷史
zui初是在18紀,蘇格蘭的物理學家兼化學家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。幾乎何物質皆可測量比熱容,如化學元素、化合物、合金、溶液,以及復合材料。
歷*,曾以水的比熱來定義熱量,將1克水升1度所需的熱量定義為1卡路里。
混合物的比熱容
加平均計算:
c=ΣC/ΣM=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)。
氣體的比熱容
定義:
Cp 定壓比熱容:壓強不變,溫度隨體積改變時的熱容,Cp=dH/dT,H為焓。
Cv 定容比熱容:體積不變,溫度隨壓強改變時的熱容,Cv=dU/dT,U為內能。
則當氣體溫度為T,壓強為P時,提供熱量dQ時氣體的比熱容:
Cp*m*dT=Cv*m*dT+PdV;
其中dT為溫度改變量,dV為體積改變量。
理想氣體的比熱容:
對于有f 個自由度的氣體的定容比熱容和摩爾比熱容是:
Cv,m=R*f/2
Cv=Rs*f/2
R=8.314J/(mol·K)
邁耶公式:Cp=Cv+R
比熱容比:γ=Cp/Cv
多方比熱容:Cn=Cv-R/(n-1)=Cv*(γ-n)/(1-n)
對于固體和液體,均可以用比定壓熱容Cp來測量其比熱容,即:C=Cp (用定義的方法測量 C=dQ/mdT)。
Dulong-Petit 規律:
金屬比熱容有個簡單的規律,即在定溫度范圍內,所有金屬都有固定的摩爾熱容:
Cp≈25J/(mol·K)
所以
cp=25/M,
其中M為摩爾質量,比熱容單位J/(kg·K)。
注:當溫度遠低于200K時 關系不再成立,因為對于T趨于0,C也將趨于0。
應用
水的比熱容較大,在農業和日常生活中有廣泛的應用。這個應用主要考慮兩個方面,*是定質量的水吸收(或放出)很多的熱而自身的溫度卻變化不大,有利于調節氣候;二是定質量的水升(或降低)定溫度吸熱(或放熱)很多,有利于用水作冷卻劑或取暖。
、調節氣候
水的比熱容較大,對于氣候的變化有顯著的影響。在同樣受熱或冷卻的情況下,水的溫度變化小些,水的這個征對氣候影響很大,白天沿海地區比內陸地區溫升慢,夜晚沿海溫度降低少,為此天中沿海地區溫度變化小,內陸溫度變化大,年之中夏季內陸比沿海炎熱,冬季內陸比沿海寒冷。海陸風的形成原因與之類似。
1.對氣溫的影響
據新華社消息,三峽水庫蓄水后,這個界上zui大的人湖將成為個天然"空調",使山城重慶的氣候冬暖夏涼。據估計,夏天氣溫可能會因此下降5℃,冬天氣溫可能會上升3到4℃。
2.熱島效應的緩解
晴朗無風的夏日,海島上的地面氣溫,于周圍海上氣溫,并因此形成海風環以及海島上空的積云對,這是海洋熱島效應的表現。近年來,由于城市人口集中,業發達,交通擁塞,大氣污染嚴重,且城市中的建筑大多為石頭和混凝土建成,在溫度的空間分布上, 城市猶如個溫暖的島嶼,從而形成城市熱島效應。在緩解熱島效應方面,家測算,個中型城市環城綠化帶樹苗長成濃蔭后,綠化帶常年涵養水源相當于座容積為1.14×10m的中型水庫,由于水的比熱容大,能使城區夏季溫下降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,在同樣受冷受熱時溫度變化較小,從而使夏天的溫度不會升得比過去,冬天的溫度不會下降的比過去低,使溫度保持相對穩定,從而水庫成為個巨大的"天然空調"。
二、冷卻或取暖
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,然后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于空氣,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后水的溫度不會明顯上升,散熱性能優于上述直接利用空氣和風扇的系統。
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,也是利用了海水的比熱容大這性。
2.農業上的應用
水稻是喜溫作物,在每年三四月份育苗的時候,為了防止霜凍,農民普遍采用"淺水勤灌"的方法,即傍晚在秧田里灌些水過夜,二天太陽升起的時候,再把秧田中的水放掉。根據水的比熱容大的性,在夜晚降溫時,使秧苗的溫度變化不大,對秧苗起了保溫作用。
3.熱水取暖
冬季供熱用的散熱器、暖水袋。
4.其他
諸如在炎熱的夏天古代*用水從屋上下,起了防暑降溫作用;夏威夷是太平洋深處的個島,那里氣候宜人,是旅游度假的圣地,除了景色誘人之外,還有個主要原因就是冬暖夏涼。
其它信息參見詞條定壓比熱容、定容比熱容。
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