比熱容 - 物理學(xué)術(shù)語(yǔ)
比熱容 - specific heat capacity又稱(chēng)比熱容量,簡(jiǎn)稱(chēng)比熱 - specific heat,是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量,即使單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。比熱容是表示物質(zhì)熱性質(zhì)的物理量。通常用符號(hào)c表示。比熱容的單位是復(fù)合單位。
最初是在18世紀(jì),蘇格蘭的物理學(xué)家兼化學(xué)家J.布萊克發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的不同物質(zhì),上升到相同溫度所需的熱量不同,而提出了比熱容的概念。水的比熱容較大,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有廣泛的應(yīng)用。,對(duì)于氣候的變化有顯著的影響。在同樣受熱或冷卻的情況下,水的溫度變化小一些,水的這個(gè)特征對(duì)氣候影響很大。
定義
單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高 - 或者降低1℃吸收 - 或者放出的熱量叫做這種物質(zhì)的比熱容,簡(jiǎn)稱(chēng)比熱。用符號(hào)c表示比熱容。性質(zhì)。
理解
其國(guó)際單位制中的單位是焦耳每千克開(kāi)爾文[J/ - kg·K]或焦耳每千克攝氏度[J/ - kg·℃]。J是指焦耳,K是指熱力學(xué)溫標(biāo),即令1千克的物質(zhì)的溫度上升(或下降)1開(kāi)爾文所需的能量。根據(jù)此定理,便可得出以下公式:Q=cmΔT。
△E為吸收的熱量,中學(xué)的教科書(shū)里為Q;m是物體的質(zhì)量,△T是吸熱(放熱)后溫度所上升(下降)值,初中的教材里把△T寫(xiě)成△t,其實(shí)這是很不規(guī)范的(我們生活中常用℃作為溫度的單位,很少用K,而且△T=△t,因此中學(xué)階段都用△t,但國(guó)際上或者更高等的科學(xué)領(lǐng)域,還是使用△T)。
物質(zhì)的比熱容與所進(jìn)行的過(guò)程有關(guān)。在工程應(yīng)用上常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態(tài)比熱容三種。
定壓比熱容Cp是單位質(zhì)量的物質(zhì)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。
定容比熱容Cv是單位質(zhì)量的物質(zhì)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(nèi)能。
飽和狀態(tài)比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)在某飽和狀態(tài)時(shí),溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。
單位
比熱容的單位是復(fù)合單位。
在國(guó)際單位制中,能量、功、熱量的主單位統(tǒng)一為焦耳,溫度的主單位是開(kāi)爾文,因此比熱容的國(guó)際單位為J/ - kg·K,讀作“焦[耳]每千克開(kāi)[爾文]”。國(guó)際單位或?yàn)镴/ - kg·℃),讀作“焦【耳】每千克攝氏度([]內(nèi)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(kāi)爾文僅在溫標(biāo)表示上有所區(qū)別,在表示溫差的量值意義上等價(jià),因此這些單位中的℃和K可以任意互相替換。例如“焦每千克攝氏度”和“焦每千克開(kāi)”是等價(jià)的。
計(jì)算
設(shè)有一質(zhì)量為m的物體,在某一過(guò)程中吸收(或放出)熱量ΔQ時(shí),溫度升高(或降低)ΔT,則ΔQ/ΔT稱(chēng)為物體在此過(guò)程中的熱容量(簡(jiǎn)稱(chēng)熱容),用C表示,即C=ΔQ/ΔT。用熱容除以質(zhì)量,即得比熱容c=C/m=ΔQ/mΔT。對(duì)于微小過(guò)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(guò)程中,吸收(或放出)的熱量Q=∫(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(shù),但在溫度變化范圍不太大時(shí),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(xué)中用比熱容來(lái)計(jì)算熱量的基本公式。
在英文中,比熱容被稱(chēng)為:Specific Heat Capacity - SHC)。
用比熱容計(jì)算熱能的公式為:能量=質(zhì)量×比熱×溫度變化
可簡(jiǎn)寫(xiě)為:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,
與比熱相關(guān)的熱量計(jì)算公式:Q=cmΔT 即Q吸(放)=cm - T初-T末) 其中c為比熱,m為質(zhì)量,Q為能量熱量。吸熱時(shí)為Q=cmΔT升(用實(shí)際升高溫度減物體初溫),放熱時(shí)為Q=cmΔT降(用實(shí)際初溫減降后溫度)?;蛘逹=cmΔT=cm - T末-T初),Q>0時(shí)為吸熱,Q<0時(shí)為放熱。
液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,液態(tài)水的定壓比熱容經(jīng)常會(huì)被用來(lái)計(jì)算吸收或放出的熱量,水作為最常見(jiàn)的物質(zhì),它的比熱數(shù)據(jù)較易獲得,當(dāng)實(shí)驗(yàn)要求精度不高時(shí),可近似認(rèn)為常壓下水的定壓比熱為4.2kJ/KG.K,
下面給出在不同壓力,不同溫度下的液態(tài)水的定壓比熱容Cp的數(shù)據(jù) (單位:KJ/KG.K)
物質(zhì)
單位質(zhì)量的某種物質(zhì),溫度降低1度放出的熱量,與它溫度升高一度吸收的熱量相等,數(shù)值上也等于它的比熱容。
理論上說(shuō),常見(jiàn)液體和固體物質(zhì)中,水的比熱容最大
對(duì)上表中數(shù)值的解釋?zhuān)?/p>
⑴比熱此表中單位為 kj/ - kg·℃)/ j/ - kg·℃),兩單位為千進(jìn)制1kJ/ - kg·℃)/=1×103J/ - kg·℃)
⑵水的比熱較大,金屬的比熱更小一些
⑶c鋁>c鋼>c鐵>c鉛 - c鉛
補(bǔ)充說(shuō)明:
⒈不同的物質(zhì)有不同的比熱容,比熱容是物質(zhì)的一種特性,因此,可以用比熱的不同來(lái)(粗略地)鑒別不同的物質(zhì)(注意有部分物質(zhì)比熱相當(dāng)接近)。
⒉同一物質(zhì)的比熱一般不隨質(zhì)量、形狀的變化而變化。如一杯水與一桶水,它們的比熱相同。
⒊對(duì)同一物質(zhì),比熱值與物態(tài)有關(guān),同一物質(zhì)在同一狀態(tài)下的比熱是一定的(忽略溫度對(duì)比熱的影響),但在不同的狀態(tài)時(shí),比熱是不相同的。例如水的比熱與冰的比熱不同。
⒋在溫度改變時(shí),比熱容也有很小的變化,但一般情況下可以忽略。比熱容表中所給的比熱數(shù)值是這些物質(zhì)在常溫下的平均值。
⒌氣體的比熱容和氣體的熱膨脹有密切關(guān)系,在體積恒定與壓強(qiáng)恒定時(shí)不同,故有定容比熱容和定壓比熱容兩個(gè)概念。但對(duì)固體和液體,二者差別很小,一般就不再加以區(qū)分。
應(yīng)用
水的比熱容較大,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有廣泛的應(yīng)用。這個(gè)應(yīng)用主要考慮兩個(gè)方面,第一是一定質(zhì)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(diào)節(jié)氣候;第二是一定質(zhì)量的水升高(或降低)一定溫度吸熱(或放熱)很多,有利于用水作冷卻劑或取暖。
調(diào)節(jié)氣候
水的比熱容較大,對(duì)于氣候的變化有顯著的影響。在同樣受熱或冷卻的情況下,水的溫度變化小一些,水的這個(gè)特征對(duì)氣候影響很大,白天沿海地區(qū)比內(nèi)陸地區(qū)溫升慢,夜晚沿海溫度降低少,為此一天中沿海地區(qū)溫度變化小,內(nèi)陸溫度變化大,一年之中夏季內(nèi)陸比沿海炎熱,冬季內(nèi)陸比沿海寒冷。當(dāng)環(huán)境溫度變化較快的時(shí)候,水的溫度變化相對(duì)較慢。生物體內(nèi)水的比例很高,有助于調(diào)節(jié)生物體自身的溫度,以免溫度變化太快對(duì)生物體造成嚴(yán)重?fù)p害。海陸風(fēng)的形成原因與之類(lèi)似。
1.對(duì)氣溫的影響
據(jù)新華社消息,三峽水庫(kù)蓄水后,這個(gè)世界上最大的人工湖將成為一個(gè)天然“空調(diào)”,使山城重慶的氣候冬暖夏涼。據(jù)估計(jì),夏天氣溫可能會(huì)因此下降5℃,冬天氣溫可能會(huì)上升3到4℃。
2.熱島效應(yīng)的緩解
晴朗無(wú)風(fēng)的夏日,海島上的地面氣溫,高于周?chē)I蠚鉁?,并因此形成海風(fēng)環(huán)流以及海島上空的積云對(duì)流,這是海洋熱島效應(yīng)的表現(xiàn)。水的比熱容是沙石的4倍多。質(zhì)量相同的水和沙石,要使它們上升同樣的溫度,水會(huì)吸收更多的熱量;如果吸收或放出的熱量相同,水的溫度變化比沙石小得多。夏天,陽(yáng)光照在海上,盡管海水吸收了許多熱量,但是由于它的比熱容較大,所以海水的溫度變化并不大,海邊的氣溫變化也不會(huì)很大。
而在沙漠,由于沙石的比熱容較小,吸收同樣的熱量,溫度會(huì)上升很多,所以沙漠的晝夜溫差很大。海岸晝夜溫差變化比沙漠中小,適于居住。2010~2013年以來(lái),由于城市人口集中,工業(yè)發(fā)達(dá),交通擁塞,大氣污染嚴(yán)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,城市猶如一個(gè)溫暖的島嶼,從而形成城市熱島效應(yīng)。
在緩解熱島效應(yīng)方面,專(zhuān)家測(cè)算,一個(gè)中型城市環(huán)城綠化帶樹(shù)苗長(zhǎng)成濃蔭后,綠化帶常年涵養(yǎng)水源相當(dāng)于一座容積為1.14×10m3的中型水庫(kù),由于水的比熱容大,能使城區(qū)夏季高溫下降1℃以上,有效緩解日益嚴(yán)重的“熱島效應(yīng)”。
水庫(kù)的建立,水的增加,而水的比熱容大,在同樣受冷受熱時(shí)溫度變化較小,從而使夏天的溫度不會(huì)升得比過(guò)去高,冬天的溫度不會(huì)下降的比過(guò)去低,使溫度保持相對(duì)穩(wěn)定,從而水庫(kù)成為一個(gè)巨大的“天然空調(diào)”。
歷史
最初是在18世紀(jì),蘇格蘭的物理學(xué)家兼化學(xué)家J.布萊克發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的不同物質(zhì),上升到相同溫度所需的熱量不同,而提出了比熱容的概念。幾乎任何物質(zhì)皆可測(cè)量比熱容,如化學(xué)元素、化合物、合金、溶液,以及復(fù)合材料。
歷史上,曾以水的比熱來(lái)定義熱量,將1克水升高1度所需的熱量定義為1卡路里。
混合物的比熱容
加權(quán)平均計(jì)算:
c=ΣC/ΣM= - m1c1+m2c2+m3c3+…/ - m1+m2+m3+…。
