的比热是能量的量被吸收的物质一克,以增加它的温度由一摄氏度。它是一种很强的物理特性,因为它不依赖于质量,因为它仅以一克物质表示;但是,它与颗粒的数量及其摩尔质量以及束缚它们的分子间力有关。
物质吸收的能量以焦耳(J)为单位,不太常见的是以卡路里(Cal)为单位。通常,假设能量是通过热量吸收的;但是,能量是通过热量吸收的。但是,能量可能来自其他来源,例如对物质所做的功(例如,剧烈搅拌)。
开水。资料来源:
上图显示了一个水壶,通过加热水壶可释放出水蒸气。要加热水,水必须从水壶下方的火焰吸收热量。因此,随着时间的流逝,并且取决于火的强度,水在达到沸点时会沸腾。
比热确定了温度每升高一摄氏度,水要消耗多少能量。如果在同一个水壶中加热不同体积的水,则该值是恒定的,因为如开头所述,它是一种增强特性。
变化的是每质量的热水吸收的能量总量,也称为热容。待加热的水量越大(2、4、10、20升),其热容量就越大;但其比热保持不变。
该特性取决于压力,温度和体积;然而,为了简单理解,省略了它们的相应变化。
什么是比热?
定义了给定物质比热的含义。但是,它的真实含义可以用公式更好地表达,该公式可以通过分析其所依赖变量时所涉及的间隙的单位来明确。其公式为:
Ce = Q /ΔTm
其中Q是吸收的热量,ΔT是温度变化,m是物质的质量;根据定义,它相当于一个克。分析其单位,我们有:
铈=焦耳/ºC·g
也可以通过以下方式表示:
铈= kJ / K g
Ce = J /ºC·Kg
第一个是最简单的,在以下各节中将使用这些方法来处理示例。
该公式明确表示在1摄氏度下1克物质吸收的能量(J)。如果我们想清除此能量,则必须将方程式J放在一边:
J = Ce·ºC·g
根据变量,以更合适的方式表示的是:
Q = CeΔTm
如何计算比热?
以水为参考
在上面的公式中,“ m”并不表示一克物质,因为它已经隐含在Ce中。该公式对于通过量热法计算各种物质的比热非常有用。
怎么样?使用卡路里的定义,即将一克水从14.5加热到15.5ºC所需的能量;这等于4,184J。
水的比热异常高,该属性用于测量知道值为4.184 J的其他物质的比热。
比热高意味着什么?它具有很高的抵抗高温的能力,因此必须吸收更多的能量;也就是说,与其他物质相比,水需要加热更长的时间,而其他物质在热源附近几乎会立即加热。
因此,在量热测量中使用水,因为吸收化学反应释放出的能量时,温度不会突然变化。或者,在这种情况下,是由于与其他较热的材料接触所致。
热平衡
由于水需要吸收大量热量以提高其温度,因此热量可能来自例如铁水。考虑到水和金属的质量,它们之间将发生热交换,直到达到所谓的热平衡为止。
发生这种情况时,水和金属的温度相等。铁水散发的热量等于水吸收的热量。
数学发展
知道了这一点,并使用刚刚描述的Q的最后一个公式,我们得到:
Q 水 = -Q 金属
负号表示热量从加热体(金属)释放到冷却体(水)。每种物质都有其自身的比热Ce和质量,因此此表达式必须发展如下:
Q 水 = Ce 水 ·ΔT 水 ·m 水 =-(Ce 金属 ·ΔT 金属 ·m 金属)
金属铈是未知的,因为在热平衡下,水和金属的最终温度是相同的。另外,水和金属的初始温度以及它们的质量是已知的。因此,必须清除铈金属:
铈金属 =(铈水 ·ΔT 水 ·m 水)/(- ΔT 金属 ·m 金属)
别忘了Ce 水的浓度为4.184 J /ºC·g。如果ΔT 水和ΔT 金属的开发,我们将(T ˚F - T的水)和(T ˚F - T的金属),分别。水加热,而金属冷却,这就是为什么负号乘以ΔTMetal ,而留下(T Metal -T f)的原因。否则,ΔT 金属将有一个负值,因为是T ˚F小(冷)大于T 金属。
然后最终以这种方式表达方程式:
铈金属 =铈水 ·(T f -T 水)·m 水 /(T 金属 -T f)·m 金属
并由此计算比热。
计算例
有一个重130g的奇怪金属球,温度为90ºC。将其浸入量热计内25ºC的100克水容器中。在达到热平衡时,容器的温度变为40°C。计算金属的铈。
最终温度T f为40°C。知道了其他数据,然后可以直接确定Ce:
铈金属 =(4,184焦耳/ºC·g·(40-25)ºC·100g)/(90-40)ºC·130g
铈金属 = 0.965 J /ºC·g
请注意,水的比热约为金属的四倍(4.184 / 0.965)。
当Ce很小时,其变热的趋势就越大;这与其热导率和扩散有关。与另一种具有较低Ce的金属相比,具有更高Ce的金属与另一种材料接触时往往会释放或散发更多的热量。
例子
不同物质的比热如下所示。
水
如所述,水的比热为4.184J /℃·g。
由于此值,它可以在海洋中吸收大量阳光,并且水几乎不会蒸发到一定程度。这会导致不影响海洋生物的温度差异。例如,当您去海滩游泳时,即使外面阳光明媚,水也会感到温度更低,温度更低。
热水还需要释放大量能量来冷却自身。在此过程中,它会加热循环的空气团,从而在冬季在沿海地区使温度略有升高。
另一个有趣的例子是,如果我们不是由水制成,那么在阳光下晒一天可能是致命的,因为我们的体温会迅速升高。
Ce的这种独特值是由于分子间的氢键。这些吸收热量分解,因此它们存储能量。在水分子破裂之前,它们将无法振动,从而增加了平均动能,这反映在温度的升高中。
冰
冰的比热为2090 J /ºC·g。像水一样,它具有异常高的价值。例如,这意味着冰山将需要吸收大量的热量以提高其温度。但是,如今,有些冰山甚至吸收了融化所需的热量(熔融潜热)。
铝
铝的比热为0.900 J /ºC·g。它略低于球形金属(0.965 J /ºC·g)。在这里,热量被吸收以振动铝的晶体结构中的金属原子,而不是单个分子通过分子间力保持在一起。
铁
铁的比热为0.444 J /ºC·g。小于铝,意味着加热时电阻较小。也就是说,在大火之前,一块铁会比一块铝早变红。
铝具有更强的耐热性,使用著名的铝箔纸包装零食时,可使食物保持更长的时间变热。
空气
空气的比热约为1.003 J /ºC·g。此值高度受压力和温度的影响,因为它由气体混合物组成。在这里热量被吸收以振动氮,氧,二氧化碳,氩气等分子。
银
最后,银的比热为0.234 J /ºC·g。在所有提及的物质中,Ce值最低,这意味着当面对铁和铝时,一块银会比其他两种金属同时发热更多。实际上,它与高导热率相协调。
参考文献
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