比熱容
比熱容（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个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。它指單位質量的某種物質升高或下降單位温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开尔文所需的能量。根據此定理，最基本便可得出以下公式：
c=EmΔT{displaystyle c={frac {E}{mDelta T}},!}有E是能量，单位焦耳（J）。
m是质量，单位千克（kg）。
ΔT是温度变化，单位开尔文（K）。
當比熱容越大，該物質便需要更多熱能加熱。以水和油為例，水和油的比熱容分別约为4200 J/(kg·K)和2000 J/(kg·K)，即把水加熱的熱能是油的約2.1倍。若以相同的熱能分別把水和油加熱的話，油的温升將比水的温升大。
比熱容的符號是c，必須為小写，而大写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）來加熱一开尔文（K）。根據比熱容，便可得出：
- c=4200Jkg−1K−1{displaystyle c=4200J,kg^{-1},K^{-1},!}
比热容在国际单位制中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、焦耳每公斤克耳文等。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。
目录
1 歷史
2 定義及公式
3 比熱容計算
4 因素
4.1 分子
5 基本物質比熱列表
6 用途
6.1 冷卻劑
6.1.1 水
6.1.2 比熱的應用與影響
6.2 計算
6.2.1 熱能
7 熱容
8 內部連結
9 參考
歷史
提出比熱容的科學家約瑟夫·布拉克。
最初是在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。
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，将1克水升高1度所需的热量定义为1卡路里。
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：
- s=HmΔT{displaystyle s={frac {H}{mDelta T}},!}
- 此公式上，s{displaystyle s}
是指比熱容；H{displaystyle H}
是指所需的熱能；m{displaystyle m}
是指質量；ΔT{displaystyle Delta T}
是指溫差。
而若加上單位後，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：
- Jkg−1∘C−1{displaystyle J,kg^{-1},^{circ }C^{-1},!}
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Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容三種。
1.定壓比熱容Cp：是單位質量的物質在壓力不變的條件下，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Cv：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C=ΔH/ΔT。用熱容除以質量，即得比熱容c=C/m=ΔH/mΔT。對於微小過程的熱容和比熱容，分別有C=dH/dT，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H=C (T2-T1)=mc (T2-T1)。如令溫度改變量ΔT=T2-T1，則有H=cmΔT。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，H=cmΔT。與比熱相關的熱量計算公式：H=cmΔT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H=cmΔT升（用實際升高溫度減物體初溫），放熱時為H=cmΔT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，並計算使用了的能量（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s=HmΔT{displaystyle s={frac {H}{mDelta T}},!}
- s=3120002×(60−20){displaystyle s={frac {312000}{2times (60-20)}},!}
- =3900Jkg−1∘C−1{displaystyle =3900J,kg^{-1},^{circ }C^{-1},!}
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
物質的比熱容和熱容都會在不同因素下有不同的影響，例如溫差、物質狀態等，主要都是分子壓力的差別。
分子
分子運動論。
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力有所不同。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，在不同的壓力和相態下，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。
以壓强為例，在地球水平線上，大氣壓强為101.325千帕斯卡，假如在這裡煮水，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，大氣壓强只有若3.2千帕斯卡，假如在這裡煮水，水將於69攝氏度沸騰。
以相態為例，液態水的比熱容是4200，而冰（水的固態）的比熱容則是2060。
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 |
| 油 | 混 | 混 | 液 | 2000 | 2000 |
| 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 |
| 磚 | 混 | 混 | 固 | 750 | 750 |
| 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
冷卻劑
水
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，由於沿海地区的比熱容比陸地大，因此，岸的溫差一向比內陸地區的低。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。
比熱的應用與影響
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，水對於氣候得影響很大，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。
1.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，就是傍晚在秧田裡灌一些水過夜，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。
2.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。
3.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。例如汽車即工廠的一些引擎與馬達等等，都利用水來做為冷卻系統的冷卻液。
計算
熱能
根據比熱容的公式：
- s=HmΔT{displaystyle s={frac {H}{mDelta T}},!}
經轉換後，便能得出：
- H=msΔT{displaystyle H=msDelta T,!}
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。假如要求取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：
- H=4×4200×(45−25){displaystyle H=4times 4200times (45-25),!}
- =336000J{displaystyle =336000J,!}
即是使用了336000焦耳熱能。
熱容
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质增加一摄氏度所需要的热量，这就要把物質的質量考虑进去，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：
- H=mh{displaystyle H=mh,!}
- C=mc{displaystyle C=mc,!}
- m是指物質的質量。
內部連結
- 熱容
- 質量
- 物質
- 溫度
- 熱能
- 相態
- 攝氏度
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 水和沙的比熱容
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/spht.html 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 比熱容物質列表
