引入
为什么同样加热,水的温度上升得比铁慢很多?
为什么海边昼夜温差比内陆小?
为什么冰的比热容只有水的一半?
比热容描述“物质容纳热量的能力”。它解释了为什么不同物质在同样吸热下温度变化不同,也解释了气候、散热和相变的很多现象。
正文
定义
比热容是单位质量的物质温度升高 (或 )所需的热量,描述物质吸放热时温度变化的难易程度: 单位 。
变形与使用
由定义式可得吸放热量:
其中 取绝对值时算热量大小,代入正负号时可判断吸放热:
- :吸热
- :放热
摩尔热容则是按物质的量计算:
两者关系为 ,其中 是摩尔质量。
定压与定容
| 类型 | 条件 | 符号 | 关系 |
|---|---|---|---|
| 定容比热容 | 体积不变 | ||
| 定压比热容 | 压强不变 |
对气体,。因为等压加热时,气体还要对外做功,吸收的热量有一部分转化为功。
对理想气体,摩尔定压热容与摩尔定容热容之差为:
这就是迈耶公式。比热容形式(按质量计)则是 。
常见物质的比热容
| 物质 | 特点 | |
|---|---|---|
| 水 | 4200 | 很大,常用作冷却剂 |
| 冰 | 2100 | 约为水的一半 |
| 铝 | 900 | 中等 |
| 铁 | 450 | 较小 |
| 铜 | 390 | 较小 |
| 铅 | 130 | 很小 |
水的比热容异常大,这是氢键的作用。它使水成为优良的冷却剂,也使海洋能调节气候。
比热容为什么不同
比热容的大小取决于物质储存能量的方式:
| 因素 | 影响 |
|---|---|
| 自由度 | 自由度越多,同能量下温升越小 |
| 分子间作用力 | 势能可储存能量,比热容增大 |
| 相态 | 液态水的氢键网络使其比热容高于冰 |
| 温度 | 高温下振动自由度被激发,比热容增大 |
这就是为什么同温度下,双原子气体的比热容大于单原子气体。
应用
| 场景 | 原理 |
|---|---|
| 汽车冷却液 | 水的比热容大,吸热多而温升小 |
| 沿海气候温和 | 海水比热容大,昼夜温差小 |
| 金属散热器 | 金属导热好,虽然比热容小但散热快 |
| 热量计测热 | 已知水的比热容,通过温升算热量 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “比热容大的物质一定更热” | 比热容只描述吸热后温升的难易 |
| “比热容与质量有关” | 比热容是单位质量的属性 |
| “水的比热容在所有温度下都是 4200” | 随温度略有变化 |
引出
为什么水的比热容异常大?氢键在其中起什么作用?
相变过程中温度不变,为什么还要吸收热量?
气体定压比热容与定容比热容之差为什么等于 ?