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阅读 2780 次 历史版本 0个 创建者:暖心 (2011/9/20 16:03:24)  最新编辑:暖心 (2011/9/20 16:03:24)
比熱容
拼音:bǐrèróng(birerong)
英文:Specific heat,Specific heat capacity
同义词条:比热容量,比热,Specific heat,Specific heat capacity
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  比熱容(specific heat capacity)又稱比熱容量,簡稱比熱(specific heat),物質的物理性能指標之一,是單位質量物質的熱容量,即使單位質量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的内能。比熱容是表示物質熱性質的物理量。通常用符號c表示。  

基本概述

 
液體比熱容測量儀
   液體比熱容測量儀
  比熱容是單位質量的某種物質升高單位溫度所需的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳每公斤開爾文(J kg-1 K-1 或 J kg-1-1,J是指焦耳,K是指熱力學溫標,與攝氏度℃相等),即令1公斤的物質的溫度上升1攝氏度所需的能量。根據此定理,最基本便可得出以下公式:

  c=△E/m△T

  △E爲吸收的熱量,中學的教科書里爲△Q。m是物體的質量,△T是吸熱(放熱)後溫度所上升(下降)值,初中的教材里把△T寫成△t,其實這是很不規範的(∵我們生活中常用℃作爲溫度的單位,很少用K,而且△T=△t,因此中學階段都用△t)。

  物質的比熱容與所進行的過程有關。在工程應用上常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容三種。

  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。

  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吸收或放出的内能。

  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。 

發展歷史


  最初是在18世紀,蘇格蘭的物理學家兼化學家J.布萊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,將1克水升高1度所需的熱量定義爲1卡路里。  

基本特征


  ⒈不同的物質有不同的比熱,比熱是物質的一種屬性,因此,可以用比熱的不同來(粗略地)鑒别不同的物質(注意有部分物質比熱相當接近)。

  ⒉同一物質的比熱一般不隨質量、形狀的變化而變化。如一杯水與一桶水,它們的比熱相同。

  ⒊對同一物質,比熱值與物態有關,同一物質在同一狀態下的比熱是一定的(忽略溫度對比熱的影響),但在不同的狀態時,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,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值是這些物質在常溫下的平均值。

  ⒌氣體的比熱容和氣體的熱膨脹有密切關係,在體積恒定與壓強恒定時不同,故有定容比熱容和定壓比熱容兩個概念。但對固體和液體,二者差别很小,一般就不再加以區分。  

基本單位


  比熱的單位是複合單位。

  在國際單位制中,能量、功、熱量的主單位統一爲焦耳,溫度的主單位是開爾文,因此比熱容的主單位爲J/(kg·K),讀作“焦[耳]每千克開[爾文]”。([]内的字可以省略。)

  常用單位:kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。注意攝氏度和開爾文僅在溫標表示上有所區别,在表示溫差的量值意義上等價,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”是等價的。  

基本計算


  設有一質量爲m的物體,在某一過程中吸收(或放出)熱量ΔQ時,溫度升高(或降低)ΔT,則ΔQ/ΔT稱爲物體在此過程中的熱容量(簡稱熱容),用C表示,即C=ΔQ/ΔT。用熱容除以質量,即得比熱容c=C/m=ΔQ/mΔT。對於微小過程的熱容和比熱容,分别有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,熱容與比熱容均爲溫度的函數,但在溫度變化範圍不太大時,可近似地看爲常量。於是有Q=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。如令溫度改變量ΔT=T2-T1,則有Q=cmΔT。這是中學中用比熱容來計算熱量的基本公式。

  在英文中,比熱容被稱爲:Sepcific Heat Capacity(SHC)。

  用比熱容計算熱能的公式爲:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change

  可簡寫爲:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,Q=cmΔT。

  與比熱相關的熱量計算公式:Q=cmΔT 即Q吸(放)=cm(T初-T末) 其中c爲比熱,m爲質量,Q爲能量。 吸熱時爲Q=cmΔT升(用實際升高溫度減物體初溫),放熱時爲Q=cmΔT降(用實際初溫減降後溫度)。或者Q=cmΔT=cm(T末-T初),Q>0時爲吸熱,Q<0時爲放熱。(涉及到物態變化時的熱量計算不能直接用Q=cmΔT,因爲不同物質的比熱容一般不同,發生物態變化後,物質的比熱容變化了。)

  混合物的比熱容

  加權平均計算:

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

  氣體的比熱容

  定義:Cp 定壓比熱容:壓強不變,溫度隨體積改變時的熱容,Cp=dH/dT,H爲焓。

  Cv 定容比熱容:體積不變,溫度隨壓強改變時的熱容,Cv=dU/dT,U爲内能。

  則當氣體溫度爲T,壓強爲P時,提供熱量dQ時氣體的比熱容:Cp*m*dT=Cv*m*dT+PdV;其中dT爲溫度改變量,dV爲體積改變量。

  理想氣體的比熱容:對於有f 個自由度的氣體的定容比熱容和摩爾比熱容是:Cv,m=R*f/2   Cv=Rs*f/2   R=8.314J/(mol·K)

  邁耶公式:Cp=Cv+R

  比熱容比:γ=Cp/Cv

  多方比熱容:Cn=Cv-R/(n-1)=Cv*(γ-n)/(1-n)

  對於固體和液體,均可以用比定壓熱容Cp來測量其比熱容,即:C=Cp (用定義的方法測量 C=dQ/mdT) 。

  Dulong-Petit 規律:金屬比熱容有一個簡單的規律,即在一定溫度範圍内,所有金屬都有一固定的摩爾熱容:Cp≈25J/(mol·K),所以cp=25/M,其中M爲摩爾質量,比熱容單位J/(kg·K)。

  注:當溫度遠低於200K時 關係不再成立,因爲對於T趨於0,C也將趨於0。  

水的比熱容較大這一性質的應用


  水的比熱容較大,在工農業生產和日常生活中有廣泛的應用。這個應用主要考慮兩個方面,第一是一定質量的水吸收(或放出)很多的熱而自身的溫度卻變化不多,有利於調節氣候;第二是一定質量的水升高(或降低)一定溫度吸熱(或放熱)很多,有利於用水作冷卻劑或取暖。

  一、利用水的比熱容大來調節氣候

  水的比熱容較大,對於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,水的這個特征對氣候影響很大,白天沿海地區比内陸地區溫升慢,夜晚沿海溫度降低少,爲此一天中沿海地區溫度變化小,内陸溫度變化大,一年之中夏季内陸比沿海炎熱,冬季内陸比沿海寒冷。海陸風的形成原因與之類似。   
 
  1.對氣溫的影響

  據新華社消息,三峽水庫蓄水後,這個世界上最大的人工湖將成爲“空調”,使山城重慶的氣候冬暖夏涼。據估計,夏天氣溫可能會因此下降5℃,冬天氣溫可能會上升3到4℃。

  2.熱島效應的緩解

  晴朗無風的夏日,海島上的地面氣溫,高於周圍海上氣溫,並因此形成海風環流以及海島上空的積雲對流,這是海洋熱島效應的表現。近年來,由於城市人口集中,工業發達,交通擁塞,大氣污染嚴重,且城市中的建築大多爲石頭和混凝土建成,在溫度的空間分布上, 城市猶如一個溫暖的島嶼,從而形成城市熱島效應。在緩解熱島效應方面,專家測算,一個中型城市環城綠化帶樹苗長成濃蔭後,綠化帶常年涵養水源相當於一座容積爲1.14×10m的中型水庫,由於水的比熱容大,能使城區夏季高溫下降1℃以上,有效緩解日益嚴重的“熱島效應”。

  水庫的建立,水的增加,而水的比熱容大,在同樣受冷受熱時溫度變化較小,從而使夏天的溫度不會升得比過去高,冬天的溫度不會下降的比過去低,使溫度保持相對穩定,從而水庫成爲一個巨大的“天然空調”。

  二、利用水的比熱容大來冷卻或取暖

  1.水冷系統的應用

  人們很早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,然後利用風扇將散發到空氣中的熱量帶走。但水的比熱容遠遠大於空氣,因此可以用水代替空氣作爲散熱介質,通過水泵將内能增加的水帶走,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。

  熱機(例如汽車的發動機,發電廠的發電機等)的冷卻系統也用水做爲冷卻液,也是利用了水的比熱容大這一特性。

  2.農業生產上的應用

  水稻是喜溫作物,在每年三四月份育苗的時候,爲了防止霜凍,農民普遍采用“淺水勤灌”的方法,即傍晚在秧田里灌一些水過夜,第二天太陽升起的時候,再把秧田中的水放掉。根據水的比熱容大的特性,在夜晚降溫時,使秧苗的溫度變化不大,對秧苗起了保溫作用。

  3.熱水取暖

  冬季供熱用的散熱器、暖水袋。

  4.其他

  諸如在炎熱的夏天古代皇室用流水從屋頂上流下,起了防暑降溫作用;夏威夷是太平洋深處的一個島,那里氣候宜人,是旅游度假的聖地,除了景色誘人之外,還有一個主要原因就是冬暖夏涼。

  其它信息參見詞條定壓比熱容、定容比熱容。

  單位質量的某種物質,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,數值上也等於它的比熱容。




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