比热

比热(s)是热容量的一种特殊类型。比热是一种热力学属性,它说明一个单位质量的物质在温度升高一度时所需的热量。物质的比热值范围不同,取决于它们吸收热量的程度。热容量这一术语可能会引起误解,因为热q是给能量的增加或减少的术语,跨越物质或系统的障碍,分别作为增加或减少温度的结果。温度变化实际上是能量的变化。因此,比热和其他形式的热容量更准确地衡量了物质的温度升高时吸收能量的能力。

单位

单位对于表达任何热力学属性都非常重要;对于比热也是如此。热量形式的能量以焦耳(J)或千焦(kJ)表示,这是与能量相关的最常见单位。在比热方面,一个质量单位是以克或公斤为单位。每一克是比热值表格中使用的标准形式,但有时也会看到使用一公斤的参考。一度的温度是以摄氏度或开尔文标度测量的,但通常是摄氏度。那么最常见的比热单位是J/(g-°C)。

决定比热的因素

温度和压力

改变材料比热的两个因素是压力和温度。比热是在材料的标准、恒定压力(通常是大气压力)下定义的,一般在25℃(298.15K)下报告。使用标准温度是因为比热具有温度依赖性,在不同的温度值下会发生变化。比热被称为密集型属性(en:密集型和广泛型属性密集型属性。)只要温度和压力处于标准参考值,并且没有发生相变,任何材料的比热值都保持不变,而不考虑存在材料的质量。

能动的自由度

影响材料比热大小的一个重要因素是分子层面上的能量自由度。能量自由度有四种类型:平移、旋转、振动和电子。要达到每个自由度,需要最小的能量。因此,物质中可储存的能量取决于在特定温度下对该物质有贡献的能量自由度的类型和数量。与固体和大多数气体相比,液体通常有更多的低能模式和更多的高能自由度。这种自由度内更广泛的可能性通常会使液体物质产生比固体或气体更大的比热。这种趋势可以在en:Heat capacity#Table of specific heat capacities中看到,并通过比较液态水与固态水(冰)、铜、锡、氧和石墨的比热能力。

使用方法

比热用于计算当能量通过在规定范围内的温度上升而被添加到材料或物质中时所吸收的热量。只要记录了材料的初始和最终温度,报告了材料的质量并知道比热,那么计算添加到材料中的热量或能量就是一个相对容易的过程。比热、材料的质量和温标都必须是相同的单位,以便准确地进行热量的计算。

计算热量(q)的公式如下。

Q = s × m × ΔT

在公式中,s是比热,单位是(J/g-℃)。m是物质的质量,单位是克。ΔT指的是在物质中观察到的温度变化(℃)。惯例是用加热后的最终温度减去物质的初始温度,所以ΔT在方程式中是TFinal -TInitial。将所有的数值代入方程,然后相乘,就可以取消质量和温度的单位,留下适当的焦耳单位来表示热量。像这样的计算在en:Calorimetry量热法中很有用。


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