热力学
经典的卡诺热机
T(热库)、Q(热量)、W(功)
H(高温)、C(低温)
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T {\displaystyle T} S {\displaystyle \partial S}
N {\displaystyle N} T {\displaystyle \partial T}
压缩性  β = {\displaystyle \beta =-}
1 {\displaystyle 1} V {\displaystyle \partial V}
V {\displaystyle V} p {\displaystyle \partial p}
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1 {\displaystyle 1} V {\displaystyle \partial V}
V {\displaystyle V} T {\displaystyle \partial T}
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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。比热容越大,物体的吸热或散热能力越强。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:

c = E m Δ T {\displaystyle c={\frac {E}{m\Delta T}}\,\!} 有E是能量,单位焦耳(J)。

m是质量,单位千克(kg)。ΔT是温度变化,单位开尔文(K)。当比热容越大,该物质便需要更多热能加热。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),即把水加热的热能是油的约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)来加热一开尔文(K)。根据比热容,便可得出:

c = 4200 J k g 1 K 1 {\displaystyle c=4200J\,kg^{-1}\,K^{-1}\,\!}

比热容在国际单位制中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

提出比热容的科学家约瑟夫·布拉克。

最初是在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,将1克水升高1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:

s = H m Δ T {\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!}


而若加上单位后,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:

J k g 1 C 1 {\displaystyle J\,kg^{-1}\,^{\circ }C^{-1}\,\!}

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Cp、定容比热容Cv和饱和状态比热容三种。

1.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。

2.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。

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C=ΔH/ΔT。用热容除以质量,即得比热容c=C/m=ΔH/mΔT。对于微小过程的热容和比热容,分别有C=dH/dT,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H=C (T2-T1)=mc (T2-T1)。如令温度改变量ΔT=T2-T1,则有H=cmΔT。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,H=cmΔT。与比热相关的热量计算公式:H=cmΔT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H=cmΔT升(用实际升高温度减物体初温),放热时为H=cmΔT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,并计算使用了的能量(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 s = H m Δ T {\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!} 计算出其比热容:

s = 312000 2 × ( 60 20 ) {\displaystyle s={\frac {312000}{2\times (60-20)}}\,\!}
= 3900 J k g 1 C 1 {\displaystyle =3900J\,kg^{-1}\,^{\circ }C^{-1}\,\!}

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

分子运动论。

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,大气压强只有若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4200,而冰(水的固态)的比热容则是2060。

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)
H221400014300
He151905193.2
NH3420552050
Ne110301030.1
Li135803582
乙醇CH3CH2OH924602440
汽油22002220
石蜡CnH2n+262至12222002500
甲烷CH4521602156
20002000
软木塞20002000
乙烷C2H6817301729
尼龙17001720
乙炔C2H2415001511
聚苯乙烯CH2313001300
硫化氢H2S311001105
N2210401042
空气(室温)10301012
空气(海平面、干燥、0℃)10051035
O22920918
二氧化碳CO23840839
一氧化碳CO210401042
Al1900897
石绵840847
陶瓷840837
F22820823.9
750750
石墨C1720710
四氟甲烷CF45660659.1
二氧化硫SO23600620
玻璃600840
Cl22520520
钻石C1502509.1
450450
Fe1450444
黄铜Cu,Zn380377
Cu1385386
Ag1235233
Hg1139140
Pt1135135
Au1129126
Pb1125128
水蒸气(水)H2O318501850
H2O342004186
冰(水)H2O320602050(-10℃)

用途

冷却剂

主条目: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。

1.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。

2.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。

3.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。例如汽车即工厂的一些引擎与马达等等,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:

s = H m Δ T {\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!}

经转换后,便能得出:

H = m s Δ T {\displaystyle H=ms\Delta T\,\!}

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:

H = 4 × 4200 × ( 45 25 ) {\displaystyle H=4\times 4200\times (45-25)\,\!}
= 336000 J {\displaystyle =336000J\,\!}

即是使用了336000焦耳热能。

热容

主条目:热容

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:

H = m h {\displaystyle H=mh\,\!}
C = m c {\displaystyle C=mc\,\!}

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