比热容与比潜热的概念

在给物质加热或放热的过程中,物质本身无非有两种变化,第一种是温度改变,这与比热容有关;第二种是发生相变,与比潜热有关。下图展示了水在吸热过程中的几个阶段:

比热容与比潜热的概念
从 A 到 B 的爬坡期是水在吸热的过程中温度不断上升,但它并未发生相变,there's no phase change, it's always liquid。到达了水的沸点 B 时,温度就不变了,取而代之的是,在由 B点 到 C点 的吸热过程中,水所吸的热量把水分子之间的键打开(break bonds between molecules)。分子之间的联结被破坏后,宏观上就表现为了相变,the liquid phase gradually changes into the solid phase of H2O。在 B 点处还都是液态水,在 C 点它们就已完全转化为了气态水。

这里要注意的是,相变时温度虽然不变,但它也是一个吸热的过程,只不过吸收的热量用来增加分子的势能,从而发生“相”的变化了。到了上图所示的 C 点全转化为气相以后,水蒸气如果继续吸热,因为不再发生相变,它就会用吸来的热量继续升温。所以吸收热量有两种效果,第一种是物体不发生相变(水还是水,水蒸气还是水蒸气),但温度升高,其实微观上增加的是分子的动能;第二种是物体温度不变,但相发生变化(水转变为水蒸气),这时微观上增加的是分子之间的势能。

比热容(specific heat capacity) 对应的是“相”不变,但温度发生变化的过程,它的定义是:"The energy transferred to 1kg of the substance causing its temperature to increase by 1K."  即 1kg 物质升高 1 K (或 1 摄氏度) 所需的能量,它的公式是:
比热容与比潜热的概念
公式中 c 是比热容,Q 代表吸收或放出的热量,m 代表物体的质量,比热容与比潜热的概念 是吸热或放热后温度的变化量。由于 比热容与比潜热的概念 衡量的是温度的变化,所以在计算过程中我们既可以用 “开尔文 K” 这个单位也可以用 “摄氏度 degree C” 直接算,无需把开尔文转换成摄氏度,因为升高 1 K 和升高 1 degree C 是一样的概念嘛!从上述公式也可以看出比热容的单位是 比热容与比潜热的概念。比如液态水的比热容是 比热容与比潜热的概念,物理意义就是要想把 1 kg 的水升高 1 K (或 1 摄氏度) 需要 比热容与比潜热的概念 的能量,这同时也是1 kg 的水下降 1 度所放出的热量。

与比热容相对的是比潜热 (specific latent heat),它对应的是物体温度不变但“相”发生改变的吸热或放热过程,比如由液态到气态。它的定义是:"The energy required to change the phase of 1kg substance from one phase to another phase without changing in temperature"。也是单位质量 (1 kg) 的物体发生相变所需要吸收或放出的热量。这个“比 or specific” 就是指的除以物体自身的质量,即单位质量。所以比潜热的公式是:
比热容与比潜热的概念
公式中 L 是比潜热,Q 是吸收或放出的能量,m 代表物体的质量。和比热容的公式相比少了一个 比热容与比潜热的概念,因为比潜热针对的是相变的过程,这个过程中温度不变。所以要注意到比热容和比潜热这两个概念的不同。根据以上公式不难推得,比潜热的单位是 比热容与比潜热的概念。比如冰融化成水的比潜热是比热容与比潜热的概念,这说明 1 kg 的冰融化成水需要吸收 比热容与比潜热的概念 的能量。同理,1kg 的水如果变成冰也会释放这么多能量。

所以比热容 c 针对的是物体温度变化、但“相”不变的过程,而比潜热 L 针对的是物体温度不变、但“相”变的过程。这点不要混淆。下面我们做到例题练一练:

100 g ice cube of 0 degree C is placed into a beaker containing 400 g water of 30 degree C.  The following data are given:
比热容与比潜热的概念

Assume there's no thermal exchange between water and surrounding environment, calculate what's the final temperature of the water?

在解决这种类型的问题时,我们首先要搞清楚谁吸热、谁放热,具体是怎么样的一个过程?冰放入水中,必然是冰吸热、水放热。零度的冰在这个吸热过程中有两个过程,先吸热融化成零度的水,零度的水还要继续升温(这一步很多同学会忘记);而烧杯中原有的 30 度的水则是一直放热,伴随着不断降温,达到一个最终的温度 T。这个过程中要明确,0度的冰所吸的总热量应等于30度的水所放出的热量,能量守恒嘛。

那就先列一下 0 度的冰的吸热公式:
比热容与比潜热的概念
等式右边分两步,先是零度冰吸热变为零度水,然后是零度水升温到最终温度 T 摄氏度,我们把 “g” 转换为 “kg”,再把本题的已知代入到上式中有:

比热容与比潜热的概念

下一步再计算烧杯中初始 30 度的水降温到最终温度 T 所放出的热量:
比热容与比潜热的概念
根据能量守恒,冰的吸热等于水的放热:

比热容与比潜热的概念
这道题的重点有:
1、找到谁吸了热,谁放了热,然后列出吸热等于放热的公式;
2、100g 的冰不仅仅融化成了100g 的水,之后这些 0 摄氏度的水还继续吸热升温呢,这个过程不要忘掉;
3、再求 比热容与比潜热的概念 时可以直接用摄氏度代入数值,无需将 “摄氏度” 转为绝对温度 “开尔文” 的形式,麻烦!
4、如果已知中给的是两、三位有效数字,那么你的结果要保留两位有效数字。

【竞赛报名/项目咨询请加微信:mollywei007】

微信扫一扫,分享到朋友圈

比热容与比潜热的概念
上一篇

点电荷的电场有什么特点?点电荷电场说明

下一篇

能量守恒定律的应用场景

你也可能喜欢

  • 暂无相关文章!

关注热点

返回顶部