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個物理量,表示物體吸熱或散熱能力。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開爾文[J/( kg · K )],即令1公斤的物質的溫度上升1開爾文所需的能量。根據此定理,最基本便可得出以下公式:
- 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,單位是開爾文(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4200 J/(kg·K)和2000 J/(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),溫度能升高一開爾文(K)。根據比熱容,便可得出水的比熱容:
在國際單位制中,比熱容的單位為「焦耳每千克開爾文」。也可讀作焦每千克開、焦耳每千克凱爾文、焦耳每公斤開爾文等。寫作J/( kg · K )。焦耳每千克攝氏度[J/( kg · ℃ )]與焦耳每千克開爾文在數值上等同。
歷史
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。
定義及公式
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:
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:
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、定容比熱容和飽和狀態比熱容三種。
1.定壓比熱容:是單位質量的物質在壓強不變的條件下,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: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
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。用熱容除以質量,即得比熱容。對於微小過程的熱容和比熱容,分別有,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。如令溫度改變量,則有。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:Specific Heat Capacity (SHC)。用比熱容計算熱能的公式為:Energy=Mass×Specific Heat Capacity×Temperature change 可簡寫為:Energy=SHC×Mass×Temp Ch,。與比熱相關的熱量計算公式: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。吸熱時為升(用實際升高溫度減物體初溫),放熱時為降(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,運用公式計算出其比熱容:
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
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強有所不同。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,在不同的壓強和相態下,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。
以壓強為例,在地球水平線上,大氣壓強為101.325千帕斯卡,假如在這裏煮水,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,大氣壓強只有月3.2千帕斯卡,假如在這裏煮水,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
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
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。
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,就是傍晚在秧田裏灌一些水過夜,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。現今亦有人選擇在金屬屋頂安裝灑水器,利用水的比熱較大和蒸發時可以吸收熱量的特性,為金屬屋頂降溫。
- 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摩打等等,都利用水來做為冷卻系統的冷卻液。
根據比熱容的公式:
經轉換後,便能得出:
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:
即是使用了336000焦耳熱能。
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:
- m是指物質的質量。
內部連結
參考
- TAO Ping Kee, LEE Hong Moon. New Physics at Work - HEAT. Oxford University Press. 1993. ISBN 0-19-545777-3.
- http://www.hk-phy.org/contextual/heat/tep/temch/island_c.html (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) 水和沙的比熱容
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) 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,存於互聯網檔案館) 比熱容物質列表
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