比熱容

比熱容(英語:specific heat capacity,符號c),簡稱比熱,亦稱比熱容量,是熱力學中常用的一个物理量,表示物体吸热或散热能力。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[J/( kg · K )],即令1公斤的物質的溫度上升1开尔文所需的能量。根據此定理,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)。 當比熱容越大,該物質便需要更多熱能来加熱。以為例,水和油的比熱容分別约为4200 J/(kg·K)和2000 J/(kg·K),即把水加熱所需熱能是油所需热能的約2.1倍。若以相同的熱能分別把水和油加熱的話,油的温升將比水的温升大。

比熱容的符號是c,必須為小写,而大写C則為熱容的符號。以水為例,一千克(kg)重的需要4200焦耳(J),温度能升高一开尔文(K)。根據比熱容,便可得出水的比热容:

國際單位制中,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、焦耳每公斤克耳文等。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。

歷史编辑

提出比熱容的科學家約瑟夫·布拉克

最初在18世紀,蘇格蘭物理學家化學家約瑟夫·布拉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。

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。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

定義及公式编辑

比熱容是指某物質加熱所需的熱能,此定理最基本便可得出:

  • 此公式上, 是比熱容; 是所需的熱能 質量 是溫差。


加上單位後,比熱容便指某物質重一公斤(kg),加熱一攝氏度(℃)或熱力學溫標(K)所需的焦耳(J),也就是比熱容的單位:

物質的比熱與所進行的過程有關。在工程應用上常用的包括:定壓比熱容 、定容比熱容 和飽和狀態比熱容三種。

1.定壓比熱容 :是單位質量的物質在壓力不變的條件下,溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

2.定容比熱容 :是單位質量的物質在容積(體積)不變的條件下,溫度升高或下降1℃或1K吸收或放出的內能。

3.飽和狀態比熱容:是單位質量的物質在某飽和狀態時,溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。

比熱容計算编辑

設有一質量為m的物體,在某一過程中吸收(或放出)熱量ΔH時,溫度升高(或降低)ΔT,則ΔH/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 ,C=1/m*dH/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H=∫(T2,T1)CdT=m∫(T2,T1)cdT。一般情況下,熱容與比熱容均為溫度的函數,但在溫度變化範圍不太大時,可以近似值視為一常數。於是產生一公式 。如令溫度改變量 ,則有 。這是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, 。與比熱相關的熱量計算公式: 即H吸(放)=cm(T初-T末)其中c為比熱,m為質量,H為能量熱量。吸熱時為 升(用實際升高溫度減物體初溫),放熱時為 降(用實際初溫減降後溫度)。或者H=cmΔT=cm(T末-T初),H>0時為吸熱,H<0時為放熱。(涉及到物態變化時的熱量計算不能直接用H=cmΔT,因為不同物質的比熱容一般不相同,發生物態變化後,物質的比熱容就會有所變化。)

最基本的比熱容計算,可以一次實驗得出。以下為一例子。首先,將兩公斤的倒入一個杯中,然後計算其溫度,假設溫度為20攝氏度。然後,把水加熱,並計算用掉的能量(例如使用電度錶)。然後,停止加熱,並計算其溫度及使用了的能量。假設溫度為60攝氏度及能量使用了312千焦耳。然後,運用公式 計算出其比熱容:

可能最後得出的數字比實際數字有所不同,主要因素是受到外圍溫度影響。

因素编辑

物質的比熱容和熱容都會在不同因素下有不同的影響,例如溫差物質狀態等,主要都是分子壓力的差別。

分子编辑

分子運動論

在不同的溫度下,物質的比熱容都會有所不同,主要是因為分子的壓力有所不同。根據分子運動論,當溫度增加,分子震動得較快;當溫度減少,分子則震動得較慢。此原理亦可指,在不同的壓力相態下,物質的比熱容亦有不同。

以溫差為例,假如在夏天較熱的天氣下煮,會比冬天較冷的天氣下更快沸騰,因為溫度較高。

以壓強為例,在地球水平線上,大氣壓強為101.325千帕斯卡,假如在這裡煮將於100攝氏度沸騰。但在海拔約8.8公里的珠穆朗瑪峰上,大氣壓強只有月3.2千帕斯卡,假如在這裡煮水,水將於69攝氏度沸騰。

相態為例,液態水的比熱容是4200J/( kg · K ),而(水的固態)的比熱容則是2060J/( kg · K )。

基本物質比熱列表编辑

以下列表是各物質的比熱容。

物質化學符號模型相態比熱容量(基本)J/(kg·K)比熱容量(20℃)J/(kg·K)
H22 1400014300
He1 51905193.2
NH34 20552050
Ne1 10301030.1
Li1 35803582
乙醇CH3CH2OH9 24602440
汽油22002220
石蠟CnH2n+262至12222002500
甲烷CH45 21602156
軟木塞20002000
乙烷C2H68 17301729
尼龍17001720
乙炔C2H24 15001511
聚苯乙烯CH2313001300
硫化氫H2S3 11001105
N22 10401042
空氣(室溫)10301012
空氣(海平面、乾燥、0℃)10051035
O22 920918
二氧化碳CO23 840839
一氧化碳CO2 10401042
Al1 900897
石綿840847
陶瓷840837
F22 820823.9
石墨C1 720710
四氟甲烷CF45 660659.1
二氧化硫SO23 600620
玻璃600840
Cl22 520520
鑽石C1 502509.1
450450
Fe1 450444
黃銅Cu,Zn380377
Cu1 385386
Ag1 235233
Hg1 139140
Pt1 135135
Au1 129126
Pb1 125128
水蒸氣H2O3 18501850
H2O3 42004186
H2O3 20602050(-10℃)

用途编辑

冷卻劑编辑

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人類發現(液態)的比熱容約4200,比其它液體較高。因此,便指出是一個較好的冷卻劑。例如,用於汽車作散熱功能。另外,由於沿海地区的比熱容比陸地大,因此,的溫差一向比內陸地區的低。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。

比熱的應用與影響编辑

水的比熱較大,在氣候的變化上有明顯的影響。同樣受到熱或冷卻的情況下,水的比熱因為比較大所以溫度變化較小,水對於氣候的影響很大,白天沿海地區比內陸地區升溫較慢,在夜間沿海溫度降低和變化量少,所以一天當中,沿海地區溫度變化小,內陸溫度變化大,一年之中夏季內陸比沿海炎熱,冬季內陸比沿海寒冷。而因為水比熱較大的現象,使得水庫往往成為一個巨大的天然空調,對於熱帶的地區或城市有些微調整氣溫的功用。

  1. 農業及生產上的應用:水稻是一種喜溫的農作物,在每年三四月份育苗的時候,在比較寒冷地區農民為了防止結霜之類的現象,農民普遍採用“淺水勤灌”的方法,就是傍晚在秧田裡灌一些水過夜,第二天太陽升起的時候,再把秧田中的水放掉。根據水的比熱較大的特性,在夜晚降溫時,使秧苗的溫度變化不大,對秧苗起了保溫及保護的作用。
  2. 建築居住上的應用:在炎熱的夏天古人將水從房屋的頂部倒下,使水往下流,起了防暑降溫作用。
  3. 水冷系統的應用:人們在很久以前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,再利用風扇將散發到空氣中的熱量帶走。但水的比熱遠遠大於空氣,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溫度不會明顯上升,散熱性能優於上述直接利用空氣和風扇的系統。例如汽車及工廠的一些引擎與馬達等等,都利用水來做為冷卻系統的冷卻液

計算编辑

熱能编辑

根據比熱容的公式:

經轉換後,便能得出:

即透過比熱容,便可計算某質量的熱能使用。例如一次實驗中,四千克重的的溫度原先是25攝氏度,經過加熱後,溫度為45攝氏度。假如要求计算使用了多少能量的話,首先要知道的比熱容,若的比熱容是4200的話,透過以上公式計算,便可得出:

即是使用了336000焦耳熱能。

熱容编辑

热容和比热容是两个完全不同的概念。比熱容只指一公斤的物質增加一攝氏度所需的熱能。即是指假如在實驗上,物質的質量有多少都不會改變它的比熱容。但熱容則指的是某物质增加一摄氏度所需要的热量,这就要把物質的質量考虑进去,比如一杯熱容,就比兩杯的少。因此,熱容和比熱容是相關的。熱容的符號是H(或用C),比熱容的符號則是h(或c),熱容和比熱容的關係可以以以下公式:

  • m是指物質的質量。

內部連結编辑

參考编辑