比熱容- 维基百科,自由的百科全书
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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,比热容越高,物体的吸热或散热能力 ...
比熱容
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此條目介紹的是熱力學的物理量。
關於法國的一個地區,請見「比熱(地區)」。
比熱容(英語:specificheatcapacity,符號c),簡稱比熱,亦稱比熱容量,是熱力學中常用的一個物理量,表示物體吸熱或散熱能力,比熱容越高,物體的吸熱或散熱能力越強。
它指單位質量的某種物質升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量。
其國際單位制中的單位是焦耳每千克克耳文[J/(kg·K)],即令1公斤的物質的溫度上升1克耳文所需的能量。
根據此定理,最基本便可得出以下公式:
c
=
Q
m
Δ
T
{\displaystylec={\frac{Q}{m\DeltaT}}\,\!}
其中Q是能量,單位是焦耳(J)。
m是質量,單位是千克(kg)。
ΔT是溫度變化,單位是克耳文(K)。
當比熱容越大,該物質便需要更多熱能來加熱。
以水和油為例,水和油的比熱容分別約為4200J/(kg·K)和2000J/(kg·K),即把水加熱所需熱能是油所需熱能的約2.1倍。
若以相同的熱能分別把水和油加熱的話,油的溫升將比水的溫升大。
比熱容的符號是c,必須為小寫,而大寫C則為熱容的符號。
以水為例,一千克(kg)重的水需要4200焦耳(J),溫度能升高一克耳文(K)。
根據比熱容,便可得出水的比熱容:
c
=
4200
J
k
g
−
1
K
−
1
{\displaystylec=4200J\,kg^{-1}\,K^{-1}\,\!}
在國際單位制中,比熱容的單位為「焦耳每千克克耳文」。
也可讀作焦每千克開、焦耳每千克凱爾文、焦耳每公斤克耳文等。
寫作J/(kg·K)。
焦耳每千克攝氏度[J/(kg·℃)]與焦耳每千克克耳文在數值上等同。
目次
1歷史
2定義及公式
3比熱容計算
4因素
4.1分子
5基本物質比熱列表
6用途
6.1冷卻劑
6.1.1水
6.1.2比熱的應用與影響
6.2計算
6.2.1熱能
7熱容
8內部連結
9參考
歷史編輯
提出比熱容的科學家約瑟夫·布拉克。
最初在18世紀,蘇格蘭的物理學家兼化學家約瑟夫·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。
幾乎任何物質皆可測量比熱容,如化學元素,化合物,合金,溶液,以及複合材料。
歷史上,曾以水的比熱來定義熱量。
在標準大氣壓下,將1克水升高1攝氏度所需的熱量定義為1卡路里。
定義及公式編輯
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:
s
=
H
m
Δ
T
{\displaystyles={\frac{H}{m\DeltaT}}\,\!}
此公式上,
s
{\displaystyles}
是比熱容;
H
{\displaystyleH}
是所需的熱能;
m
{\displaystylem}
是質量;
Δ
T
{\displaystyle\DeltaT}
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:
J
k
g
−
1
∘
C
−
1
{\displaystyleJ\,kg^{-1}\,^{\circ}C^{-1}\,\!}
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Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容三種。
1.定壓比熱容Cp: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Cv: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。
比熱容計算編輯
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C=ΔH/ΔT。
用熱容除以質量,即得比熱容c=C/m=ΔH/mΔT。
對於微小過程的熱容和比熱容,分別有C=dH/dT,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H=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。
如令溫度改變量ΔT=T2-T1,則有H=cmΔT。
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:SpecificHeatCapacity(SHC)。
用比熱容計算熱能的公式為:Energy=Mass×SpecificHeatCapacity×Temperaturechange
可簡寫為:Energy=SHC×Mass×TempCh,H=cmΔT。
與比熱相關的熱量計算公式:H=cmΔT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H=cmΔT升(用實際升高溫度減物體初溫),放熱時為H=cmΔT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,將兩公斤的水倒入一個杯中,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
s
=
H
m
Δ
T
{\displaystyles={\frac{H}{m\DeltaT}}\,\!}
計算出其比熱容:
s
=
312000
2
×
(
60
−
20
)
{\displaystyles={\frac{312000}{2\times(60-20)}}\,\!}
=
3900
J
k
g
−
1
∘
C
−
1
{\displaystyle=3900J\,kg^{-1}\,^{\circ}C^{-1}\,\!}
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。
因素編輯
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。
分子編輯
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,在不同的壓力和相態下,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水,會比冬天較冷的天氣下更快沸騰,因為溫度較高。
以壓力為例,在地球水平線上,大氣壓力為101.325千帕斯卡,假如在這裡煮水,水將於100攝氏度沸騰。
但在海拔約8.8公里的珠穆朗瑪峰上,大氣壓力只有月3.2千帕斯卡,假如在這裡煮水,水將於69攝氏度沸騰。
以相態為例,液態水的比熱容是4200J/(kg·K),而冰(水的固態)的比熱容則是2060J/(kg·K)。
基本物質比熱列表編輯
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)
氫
H2
2
氣
14000
14300
氦
He
1
氣
5190
5193.2
氨
NH3
4
氣
2055
2050
氖
Ne
1
氣
1030
1030.1
鋰
Li
1
固
3580
3582
乙醇
CH3CH2OH
9
液
2460
2440
汽油
混
混
液
2200
2220
石蠟
CnH2n+2
62至122
固
2200
2500
甲烷
CH4
5
氣
2160
2156
軟木塞
混
混
固
2000
2000
乙烷
C2H6
8
氣
1730
1729
尼龍
混
混
固
1700
1720
乙炔
C2H2
4
氣
1500
1511
聚苯乙烯
CH2
3
固
1300
1300
硫化氫
H2S
3
氣
1100
1105
氮
N2
2
氣
1040
1042
空氣(室溫)
混
混
氣
1030
1012
空氣(海平面、乾燥、0℃)
混
混
氣
1005
1035
氧
O2
2
氣
920
918
二氧化碳
CO2
3
氣
840
839
一氧化碳
CO
2
氣
1040
1042
鋁
Al
1
固
900
897
石綿
混
混
固
840
847
陶瓷
混
混
固
840
837
氟
F2
2
氣
820
823.9
石墨
C
1
固
720
710
四氟甲烷
CF4
5
氣
660
659.1
二氧化硫
SO2
3
氣
600
620
玻璃
混
混
固
600
840
氯
Cl2
2
氣
520
520
鑽石
C
1
固
502
509.1
鋼
混
混
固
450
450
鐵
Fe
1
固
450
444
黃銅
Cu,Zn
混
固
380
377
銅
Cu
1
固
385
386
銀
Ag
1
固
235
233
汞
Hg
1
液
139
140
鉑
Pt
1
固
135
135
金
Au
1
固
129
126
鉛
Pb
1
固
125
128
水蒸氣(水)
H2O
3
氣
1850
1850
水
H2O
3
液
4200
4186
冰(水)
H2O
3
固
2060
2050(-10℃)
用途編輯
冷卻劑編輯
水編輯
主條目:水
人類發現水(液態)的比熱容約4200,比其它液體較高。
因此,便指出水是一個較好的冷卻劑。
例如,用於汽車作散熱功能。
另外,由於沿海地區的比熱容比陸地大,因此,岸的溫差一向比內陸地區的低。
同時水也是比較好的保溫劑,所以大部分的保暖袋都用水的。
比熱的應用與影響編輯
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。
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。
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。
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。
計算編輯
熱能編輯
根據比熱容的公式:
s
=
H
m
Δ
T
{\displaystyles={\frac{H}{m\DeltaT}}\,\!}
經轉換後,便能得出:
H
=
m
s
Δ
T
{\displaystyleH=ms\DeltaT\,\!}
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,四千克重的水的溫度原先是25攝氏度,經過加熱後,溫度為45攝氏度。
假如要求計算使用了多少能量的話,首先要知道水的比熱容,若水的比熱容是4200的話,透過以上公式計算,便可得出:
H
=
4
×
4200
×
(
45
−
25
)
{\displaystyleH=4\times4200\times(45-25)\,\!}
=
336000
J
{\displaystyle=336000J\,\!}
即是使用了336000焦耳熱能。
熱容編輯
主條目:熱容
熱容和比熱容是兩個完全不同的概念。
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質增加一攝氏度所需要的熱量,這就要把物質的質量考慮進去,比如一杯水的熱容,就比兩杯水的少。
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:
H
=
m
h
{\displaystyleH=mh\,\!}
C
=
m
c
{\displaystyleC=mc\,\!}
m是指物質的質量。
內部連結編輯
熱容
質量
物質
溫度
熱能
相態
攝氏度參考編輯
TAOPingKee,LEEHongMoon.NewPhysicsatWork-HEAT.OxfordUniversityPress.1993.ISBN 0-19-545777-3.
http://www.hk-phy.org/contextual/heat/tep/temch/island_c.html(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)水和沙的比熱容
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)比熱公式
http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=AJPIAS000071000011001142000001&idtype=cvips&gifs=yes比熱容單位
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/sphtt.html#c1(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)比熱容物質列表
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=比熱容&oldid=70239417」
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- 55-3_比熱
(2)物體受熱時溫度上升的快慢,與物質的特性有關,此種特性稱為比熱。 (3)生活實例: ... (1) 使1公克的物質升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的熱量,稱為該物質的比熱。