比热容

编辑:明澈网互动百科 时间:2019-12-16 20:28:36
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同义词 specific heat capacity一般指比热容
比热容(Specific Heat Capacity),用符号C表示,又称比热容量,简称比热(specific heat),是单位质量物质的热容量,即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。
中文名
比热容
外文名
specific heat
简    称
比热
单    位
焦耳每千克摄氏度[J /(kg·℃)]
符    号
c
公    式
c=Q/(m·△t)
变式1
Q=cmΔT
变式2
△t=Q/mc.
比热容(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:
当比热容越大,该物质便需要更多热能加热。以为例,的比热容分别约为4200 J/(kg·K)和2000 J/(kg·K),即把加热的热能多出约一倍。若以相同的热能分别把加热的话,的温升将比的温升大。
卡诺定理指出,可逆循环效率只与高温热源和低温热源的温度有关,而与工作物质(工质)或工作路径等其它因素无关
热力学温度又被称为绝对温度,是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K,对应-273.15摄氏度。

比热容学科定义

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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千克开尔文[J /(kg·K) ]或焦耳每千克每摄氏度[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为吸收(或放出)的热量;m是物体的质量,ΔT是吸热(或放热)后温度所上升(或下降)值,初中的教材里把ΔT写成Δt,其实这是不规范的(我们生活中常用℃作为温度的单位,很少用K,而且ΔT=Δt,因此中学阶段都用Δt,但国际或更高等的科学领域仍用ΔT)。
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吸收或放出的能量。
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。

比热容单位

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比热容的单位是复合单位。
国际单位制中,能量、、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。

比热容计算

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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
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)
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
比热容的计算公式也写作
(△t:物体变化温度,即t-t0)

比热容液态水数据

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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)
  
02050100150200250
  
300350
14.217
  
4.1824.181      
54.2154.1814.1804.2154.310    
104.2124.1794.1794.2144.308    
504.1914.1664.1704.2054.2964.4774.8553.299 
1004.1654.1514.1584.1944.2814.4504.7915.7034.042
1504.1414.1374.1484.1834.2664.4254.7355.4958.863
2004.1174.1234.1374.1734.2524.4024.6855.3328.103
2504.0954.1094.1274.1634.2394.3794.6395.2017.017
3004.0734.0974.1174.1534.2264.3584.5985.0916.451

比热容物质

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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。
物质
化学符号
模型
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
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
空气(室温)
1030
1012
空气(海平面、干燥、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
钻石
C
1
502
509.1
450
450
Fe
1
450
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(
H2O
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<c铁<c钢<c铝)。
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)。
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。
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。
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0.909 0.649
氢气14.05 9.934
水蒸气1.842 1.381
氮气1.038 0.741

比热容应用

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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。

比热容调节气候

水的比热容较大,对于气候的变化有显著的影响。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”。

比热容冷却或取暖

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

比热容历史

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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

比热容混合物

加权平均计算:
c=ΣC/ΣM=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)。

比热容气体

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*1000/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。
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