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比热容

王朝百科·作者佚名  2009-11-10
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定义比热容(specific heat capacity)又称比热容量(specific heat),简称比热容,是单位质量物质的热容量,即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。通常用符号c表示。

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比压不变的条件下,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比容不变的条件下,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。

在中学范围内,简单的定义为:

单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量(或降低1℃释放的热量)叫做这种物质的比热容。单位为J/(kg·℃)读作焦每千克摄氏度。比热容的单位也常写做J/(kg·K),读作“焦耳每千克”

物理意义:

单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量

比热容是物质的一种特性:

虽然公式 C =Q/mΔt可用来计算物质的比热,但不能认为物质的比热与 Q 成正比,与 m 和Δt成反比.因为比热是物质的一种特性 , 它不随外界条件的变化而变化,只与物质的种类和物质的状态有关,可以用来鉴别物质,大部分物质的比热容不同,但有少部分除外,例如煤油和冰的比热容是相同的。同种物质在同种状态下比热是相同的。比热跟物体的质量、温度变化量和吸热( 或放热 )的多少无关 .但物质在状态变化时比热将随之变化 。比热容反映了物质吸热、放热的本领,常见的物质中,水的比热容最大。

相关计算设有一质量为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:Sepcific Heat Capacity(SHC)。

用比热容计算热能的公式为:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Tempreture change

可简写为:Energy=Mass×SHC×Temp Ch,Q=mcΔt。(T又分为好多,比如Q是吸热,

T1-T2,如果Q是放热T2-T1).

混合物的比热容:

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

气体的比热容

定义:Cp 定压比热容:压强不变,温度随体积改变时的热容。

Cv 定容比热容:体积不变,温度随压强改变时的热容。

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)

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

(即用定义的方法测量 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/M,

其中M为摩尔质量,比热容单位J/(mol·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。

常见气体的比热容(单位:J/(kg*℃),焦/(千克*摄氏度),读作“焦每千克摄氏度”)

Cp Cv

氧气 0.909, 0.649

氢气 14.05, 9.934

水蒸汽 1.842 ,1.381

氮气 1.038 ,0.741

常见物质的比热容(单位:J/(kg*℃),焦/(千克*摄氏度),读作“焦每千克摄氏度”)

水:4200焦/(千克*摄氏度),

冰:2100焦/(千克*摄氏度),

煤油:2100焦/(千克*摄氏度),

砂石:920焦/(千克*摄氏度),

干泥土:840焦/(千克*摄氏度 )

橡胶:1700焦/(千克*摄氏度 )

玻璃:670焦/(千克*摄氏度),

常见金属的比热容:

钢铁:460焦/(千克*摄氏度),

铜:390焦/(千克*摄氏度),

水银:140焦/(千克*摄氏度),

铝:880焦/(千克*摄氏度),

其它信息参见词条比热、定压比热容、定容比热容。

水的比热容 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多,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。

一、利用水的比热容大来调节气候

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“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℃。

是什么原因导致重庆山城变得冬暖夏凉呢?原来,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”。

“朝穿皮袄午披纱,怀抱火炉吃西瓜”这是沙漠地区早晚气温反差较大的写照,而沿海地区气温却较稳定。这也正是因为水的比热容比干泥土的比热容大,在同样受热或冷却的情况下,沿海地区气温较稳定。

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。近年来,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1.14×10m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”。

3.海陆风的形成

白天的时候,由于陆地的泥土比热容比海水的小,升温比海水快,形成空气的密度差,海面上的空气的密度高于陆地上的密度,陆地上热空气上升后海面上空气流过来补充,形成海风。而晚上的时候正好相反,形成陆风。海陆风不仅体现在一天而且体现在某个季节。

二、利用水的比热容大来冷却或取暖

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散热中我们利用散热片与CPU核心接触,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CPU产生的热量传输到水中后水的温度不会明显上升,然后再通过水泵将内能增加的水带走,这样的系统称为水冷系统。

我们熟悉的热机的冷却系统也用水做为冷却液,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

在冬天,人们往往用热水袋装热水后取暖,而不用热煤油取暖,这主要原因是什么?因水的比热容比煤油的大,相同质量的水和煤油,温度降低相同的度数时,水放出的热量比煤油的多,因此选热水取暖。

水的比热容大这一特性还有许多的应用,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;夏威夷是太平洋深圳处的一个岛,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。你能解释这些现象吗?

 
 
 
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