比热容(物理学术语)

比热容(specific heat capacity)又称比热容量,简称比热(specific heat),是单位质量物质的热容量,即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。比热容的单位是复合单位。

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。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。,对于气候的变化有显着的影响。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。

定义

单位质量的某种物质温度升高(或者降低)1℃吸收(或者放出)的热量叫做这种物质的比热容,简称比热。用符号c表示比热容。性质。

理解

其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]或焦耳每千克摄氏度[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=cmΔT。

△E为吸收的热量,中学的教科书里为Q;m是物体的质量,△T是吸热(放热)后温度所上升(下降)值,初中的教材里把△T写成△t,其实这是很不规范的(我们生活中常用℃作为温度的单位,很少用K,而且△T=△t,因此中学阶段都用△t,但国际上或者更高等的科学领域,还是使用△T)。

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吸收或放出的内能。

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。

单位

比热容的单位是复合单位。

在国际单位制中,能量、功、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。

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。

液态水数据

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)

物质

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。

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

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)。

⒉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。

⒊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。

⒋在温度改变时,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,故有定容比热容和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。

应用

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。

调节气候

水的比热容较大,对于气候的变化有显着的影响。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”。

历史

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。

混合物的比热容

加权平均计算:

c=ΣC/ΣM=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)。

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