比热容

此条目介绍的是热力学的物理量。关于法国的一个地区，请见“比热 (地区)”。

比热容（英语：specific heat capacity，符号c），简称比热，亦称比热容量，是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/( kg · K )]，即令1公斤的物质的温度上升1开尔文所需的能量。根据此定理，最基本便可得出以下公式：

${\displaystyle c={\frac {Q}{m\Delta T}}\,\!}$

其中Q是能量，单位是焦耳（J）。m是质量，单位是千克（kg）。 ΔT是温度变化，单位是开尔文（K）。 当比热容越大，该物质便需要更多热能来加热。以水和油为例，水和油的比热容分别约为4200 J/(kg·K)和2000 J/(kg·K)，即把水加热所需热能是油所需热能的约2.1倍。若以相同的热能分别把水和油加热的话，油的温升将比水的温升大。

比热容的符号是c，必须为小写，而大写C则为热容的符号。以水为例，一千克（kg）重的水需要4200焦耳（J），温度能升高一开尔文（K）。根据比热容，便可得出水的比热容：

${\displaystyle c=4200J\,kg^{-1}\,K^{-1}\,\!}$

在国际单位制中，比热容的单位为“焦耳每千克开尔文”。也可读作焦每千克开、焦耳每千克凯尔文、焦耳每公斤开尔文等。写作J/( kg · K )。焦耳每千克摄氏度[J/( kg · ℃ )]与焦耳每千克开尔文在数值上等同。

历史

提出比热容的科学家约瑟夫·布拉克。

最初在18世纪，苏格兰的物理学家兼化学家约瑟夫·布拉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。

几乎任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。在标准大气压下，将1克水升高1摄氏度所需的热量定义为1卡路里。

定义及公式

比热容是指某物质加热所需的热能，此定理最基本便可得出：

${\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!}$

• 此公式上，${\displaystyle s}$是比热容；${\displaystyle H}$是所需的热能；${\displaystyle m}$是质量；${\displaystyle \Delta T}$是温差。

加上单位后，比热容便指某物质重一公斤（kg），加热一摄氏度（℃）或热力学温标（K）所需的焦耳（J），也就是比热容的单位：

${\displaystyle J\,kg^{-1}\,^{\circ }C^{-1}\,\!}$

物质的比热与所进行的过程有关。在工程应用上常用的包括：定压比热容${\displaystyle C_{p}}$、定容比热容${\displaystyle C_{v}}$和饱和状态比热容三种。

1.定压比热容${\displaystyle C_{p}}$：是单位质量的物质在压强不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

2.定容比热容${\displaystyle C_{v}}$：是单位质量的物质在容积（体积）不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K吸收或放出的内能。

3.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。

比热容计算

设有一质量为m的物体，在某一过程中吸收（或放出）热量ΔH时，温度升高（或降低）ΔT，则ΔH/ΔT称为物体在此过程中的热容量（简称热容），用C表示，即${\displaystyle C={\frac {\Delta H}{\Delta T}}}$。用热容除以质量，即得比热容${\displaystyle c={\frac {C}{m}}={\frac {\Delta H}{m\Delta T}}}$。对于微小过程的热容和比热容，分别有${\displaystyle C={\frac {dH}{dT}}}$，C=1/m*dH/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H=∫（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，可以近似值视为一常数。于是产生一公式${\displaystyle H=C(T2-T1)=mc(T2-T1)}$。如令温度改变量${\displaystyle \Delta T=T2-T1}$，则有${\displaystyle H=cm\Delta T}$。这是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，${\displaystyle H=cm\Delta T}$。与比热相关的热量计算公式：${\displaystyle H=cm\Delta T}$即H吸（放）=cm（T初-T末）其中c为比热，m为质量，H为能量热量。吸热时为${\displaystyle H=cm\Delta T}$升（用实际升高温度减物体初温），放热时为${\displaystyle H=cm\Delta T}$降（用实际初温减降后温度）。或者H=cmΔT=cm（T末-T初），H>0时为吸热，H<0时为放热。 （涉及到物态变化时的热量计算不能直接用H=cmΔT，因为不同物质的比热容一般不相同，发生物态变化后，物质的比热容就会有所变化。）

最基本的比热容计算，可以一次实验得出。以下为一例子。首先，将两公斤的水倒入一个杯中，然后计算其温度，假设温度为20摄氏度。然后，把水加热，并计算用掉的能量（例如使用电度表）。然后，停止加热，并计算其温度及使用了的能量。假设温度为60摄氏度及能量使用了312千焦耳。然后，运用公式${\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!}$计算出其比热容：

${\displaystyle s={\frac {312000}{2\times (60-20)}}\,\!}$

${\displaystyle =3900J\,kg^{-1}\,^{\circ }C^{-1}\,\!}$

可能最后得出的数字比实际数字有所不同，主要因素是受到外围温度影响。

因素

物质的比热容和热容都会在不同因素下有不同的影响，例如温差、物质状态等，主要都是分子压强的差别。

分子

分子运动论。

在不同的温度下，物质的比热容都会有所不同，主要是因为分子的压强有所不同。根据分子运动论，当温度增加，分子震动得较快；当温度减少，分子则震动得较慢。此原理亦可指，在不同的压强和相态下，物质的比热容亦有不同。

以温差为例，假如在夏天较热的天气下煮水，会比冬天较冷的天气下更快沸腾，因为温度较高。

以压强为例，在地球水平线上，大气压强为101.325千帕斯卡，假如在这里煮水，水将于100摄氏度沸腾。但在海拔约8.8公里的珠穆朗玛峰上，大气压强只有月3.2千帕斯卡，假如在这里煮水，水将于69摄氏度沸腾。

以相态为例，液态水的比热容是4200J/( kg · K )，而冰（水的固态）的比热容则是2060J/( kg · K )。

基本物质比热列表

以下列表是各物质的比热容。

物质	化学符号	模型	相态	比热容量（基本）J/（kg·K）	比热容量（20℃）J/（kg·K）
氢	H2	2	气	14000	14300
氦	He	1	气	5190	5193.2
氨	NH3	4	气	2055	2050
氖	Ne	1	气	1030	1030.1
锂	Li	1	固	3580	3582
乙醇	CH3CH2OH	9	液	2460	2440
汽油	混	混	液	2200	2220
石蜡	CnH2n+2	62至122	固	2200	2500
甲烷	CH4	5	气	2160	2156
软木塞	混	混	固	2000	2000
乙烷	C2H6	8	气	1730	1729
尼龙	混	混	固	1700	1720
乙炔	C2H2	4	气	1500	1511
聚苯乙烯	CH2	3	固	1300	1300
硫化氢	H2S	3	气	1100	1105
氮	N2	2	气	1040	1042
空气（室温）	混	混	气	1030	1012
空气（海平面、干燥、0℃）	混	混	气	1005	1035
氧	O2	2	气	920	918
二氧化碳	CO2	3	气	840	839
一氧化碳	CO	2	气	1040	1042
铝	Al	1	固	900	897
石绵	混	混	固	840	847
陶瓷	混	混	固	840	837
氟	F2	2	气	820	823.9
石墨	C	1	固	720	710
四氟甲烷	CF4	5	气	660	659.1
二氧化硫	SO2	3	气	600	620
玻璃	混	混	固	600	840
氯	Cl2	2	气	520	520
钻石	C	1	固	502	509.1
钢	混	混	固	450	450
铁	Fe	1	固	450	444
黄铜	Cu,Zn	混	固	380	377
铜	Cu	1	固	385	386
银	Ag	1	固	235	233
汞	Hg	1	液	139	140
铂	Pt	1	固	135	135
金	Au	1	固	129	126
铅	Pb	1	固	125	128
水蒸气（水）	H2O	3	气	1850	1850
水	H2O	3	液	4200	4186
冰（水）	H2O	3	固	2060	2050（-10℃）

用途

冷却剂

水

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人类发现水（液态）的比热容约4200，比其它液体较高。因此，便指出水是一个较好的冷却剂。例如，用于汽车作散热功能。另外，由于沿海地区的比热容比陆地大，因此，岸的温差一向比内陆地区的低。同时水也是比较好的保温剂，所以大部分的保暖袋都用水的。

比热的应用与影响

水的比热较大，在气候的变化上有明显的影响。同样受到热或冷却的情况下，水的比热因为比较大所以温度变化较小，水对于气候的影响很大，白天沿海地区比内陆地区升温较慢，在夜间沿海温度降低和变化量少，所以一天当中，沿海地区温度变化小，内陆温度变化大，一年之中夏季内陆比沿海炎热，冬季内陆比沿海寒冷。而因为水比热较大的现象，使得水库往往成为一个巨大的天然空调，对于热带的地区或城市有些微调整气温的功用。

1. 农业及生产上的应用：水稻是一种喜温的农作物，在每年三四月份育苗的时候，在比较寒冷地区农民为了防止结霜之类的现象，农民普遍采用“浅水勤灌”的方法，就是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。根据水的比热较大的特性，在夜晚降温时，使秧苗的温度变化不大，对秧苗起了保温及保护的作用。
2. 建筑居住上的应用：在炎热的夏天古人将水从房屋的顶部倒下，使水往下流，起了防暑降温作用。现今亦有人选择在金属屋顶安装洒水器，利用水的比热较大和蒸发时可以吸收热量的特性，为金属屋顶降温。
3. 水冷系统的应用：人们在很久以前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，再利用风扇将散发到空气中的热量带走。但水的比热远远大于空气，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。例如汽车及工厂的一些引擎与电动机等等，都利用水来做为冷却系统的冷却液。

计算

热能

根据比热容的公式：

${\displaystyle s={\frac {H}{m\Delta T}}\,\!}$

经转换后，便能得出：

${\displaystyle H=ms\Delta T\,\!}$

即透过比热容，便可计算某质量的热能使用。例如一次实验中，四千克重的水的温度原先是25摄氏度，经过加热后，温度为45摄氏度。假如要求计算使用了多少能量的话，首先要知道水的比热容，若水的比热容是4200的话，透过以上公式计算，便可得出：

${\displaystyle H=4\times 4200\times (45-25)\,\!}$

${\displaystyle =336000J\,\!}$

即是使用了336000焦耳热能。

热容

主条目：热容

热容和比热容是两个完全不同的概念。比热容只指一公斤的物质增加一摄氏度所需的热能。即是指假如在实验上，物质的质量有多少都不会改变它的比热容。但热容则指的是某物质增加一摄氏度所需要的热量，这就要把物质的质量考虑进去，比如一杯水的热容，就比两杯水的少。因此，热容和比热容是相关的。热容的符号是H(或用C)，比热容的符号则是h(或c)，热容和比热容的关系可以以以下公式：

${\displaystyle H=mh\,\!}$

${\displaystyle C=mc\,\!}$

• m是指物质的质量。

内部链接

• 热容
• 质量
• 物质
• 温度
• 热能
• 相态
• 摄氏度

参考

• 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 水和沙的比热容
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html （页面存档备份，存于互联网档案馆） 比热公式
• http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=AJPIAS000071000011001142000001&idtype=cvips&gifs=yes 比热容单位
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/sphtt.html#c1 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 比热容物质列表