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教学仪器比热容的简单介绍

教育装备采购网 2017-08-29 10:50 围观605次

  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。

  定义

  

  比热容测试仪

  比热容是单位质量的某种物质升单位温度所需的热量。其际单位制中的单位是焦耳每千克摄氏度(J /(kg·K) 或 J /(kg·℃),J是焦耳,K是热力学温标,与摄氏度℃相等),即令1千克的物质的温度上升(或下降)1摄氏度所需的能量。根据此定理,基本便可得出以下公式:

  c=ΔE/mΔT(T末-T初)(中学教科书上是c=Q/m⊿t)

  ΔE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ΔT写成Δt,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ΔT=Δt因此中学阶段都用⊿t,但际上或者更等的科学域,还是使用⊿T)。

  物质的比热容与所行的过程有关。在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。

  在际单位制中,能量、、热量的主单位统为焦耳,温度的主单位是开尔文,因此比热容的际单位为J/(kg·K),读作"焦[耳]每千克开[尔文]"。([]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可以意互相替换。例如"焦每千克摄氏度"和"焦每千克开"是等价的。

  比热容表示物体吸热(或散热)能力的物理量

  计算

  设有质量为m的物体,在某过程中吸收(或放出)热量ΔQ时,温度升(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。

  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:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change

  可简写为:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,Q=cmΔT。

  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。

  (涉及到物态变化时的热量计算不能直接用Q=cmΔT,因为不同物质的比热容般不同,发生物态变化后,物质的比热容变化了。)

  历史

  初是在18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1度所需的热量定义为1卡路里。

  混合物的比热容

  加平均计算:

  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,Cp=dH/dT,H为焓。

  Cv 定容比热容:体积不变,温度随压强改变时的热容,Cv=dU/dT,U为内能。

  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)

  迈耶公式:Cp=Cv+R

  比热容比:γ=Cp/Cv

  多方比热容:Cn=Cv-R/(n-1)=Cv*(γ-n)/(1-n)

  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 (用定义的方法测量 C=dQ/mdT)。

  Dulong-Petit 规律:

  金属比热容有个简单的规律,即在定温度范围内,所有金属都有固定的摩尔热容:

  Cp≈25J/(mol·K)

  所以

  cp=25/M,

  其中M为摩尔质量,比热容单位J/(kg·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。

  应用

  水的比热容较大,在农业和日常生活中有广泛的应用。这个应用主要考虑两个方面,是定质量的水吸收(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;二是定质量的水升(或降低)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著的影响。在同样受热或冷却的情况下,水的温度变化小些,水的这个征对气候影响很大,白天沿海地区比内陆地区温升慢,夜晚沿海温度降低少,为此天中沿海地区温度变化小,内陆温度变化大,年之中夏季内陆比沿海炎热,冬季内陆比沿海寒冷。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,这个界上大的人湖将成为个天然"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,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,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,家测算,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,冬天的温度不会下降的比过去低,使温度保持相对稳定,从而水库成为个巨大的"天然空调"。

  二、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散热中可以利用散热片与CPU核心接触,使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,因此可以用水代替空气作为散热介质,通过水泵将内能增加的水带走,组成水冷系统。这样CPU产生的热量传输到水中后水的温度不会明显上升,散热性能优于上述直接利用空气和风扇的系统。

  热机(例如汽车的发动机,发电厂的发电机等)的冷却系统也用和水做为冷却液,也是利用了海水的比热容大这性。

  2.农业上的应用

  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,即傍晚在秧田里灌些水过夜,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

  冬季供热用的散热器、暖水袋。

  4.其他

  诸如在炎热的夏天古代皇室用流水从屋上流下,起了防暑降温作用;夏威夷是太平洋深处的个岛,那里气候宜人,是旅游度假的圣地,除了景色诱人之外,还有个主要原因就是冬暖夏凉。

  其它信息参见词条定压比热容、定容比热容。

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