第十三章 内能 第3节 比热容
知识点1:比热容
1.实验探究:不同物质的吸(放)热本领
提出问题 生活经验告诉我们,同种物质,在热传递过程中吸收(或放出)的热量与物质的质量和升高(或降低)的温度有关。升高(或降低)相同温度时,质量越大,吸收(或放出)的热量越多;质量相同时,升高(或降低)的温度越大,吸收(或放出)的热量越多。
不同种类的物质,吸热的本领一样吗?即不同种类的物质,质量相同,升高(或降低)相同的温度,吸收(或放出)的热量一样多吗?
假设猜想
[猜想一] 不同物质的吸热能力相同;
[猜想二] 不同物质的吸热能力不同。
实验设计探究
[思考] 1.为了比较两种不同物质的吸热能力,我们应采用什么方法?
2.为了比较两种不同物质的温度变化,应使用哪些仪器?
[实验设计方案] (1)实验目的:①研究不同物质的吸(放)热本领;②通过实验学习用控制变量法设计实验。
(2)实验原理:本实验中研究物体吸收或放出的热量与物质种类的关系,需要控制质量、温度变化相同。选取两种不同物质,使其质量相同,升高相同温度,比较吸收热量的多少。而吸收热量的多少可在升高相同温度的情况下,比较加热时间得出,或在加热时间相同的情况下,比较升高的温度。
(3)实验器材:500 mL的烧杯(2个)、同规格的“热得快”(2个)、搅拌器(2个)、停表、量筒、温度计(2支)、足量的水和煤油等。
(4)实验步骤:①用量筒分别量取400 g的水和400 g的煤油,分别倒入规格相同的甲、乙两烧
杯中,并使它们的温度都处于室温。②用相同规格的“热得快”分别给水和煤油加热相同时间,不断搅拌水和煤油,记录加热时间和它们升高的温度,如图1所示。③继续加热,并不断搅拌,使它们的温度升高到40 ℃,记录加热所需的时间。
图1
分析论证 (1)实验数据如下表所示。
实验次数 | 物质名称 | 质量/g | 加热时间/min | 初温/℃ | 末温/℃ | 吸收热量(多、少) |
1 | 水 | 400 | 3 | 20 | 25 | 相同 |
煤油 | 400 | 3 | 20 | 30 | 相同 | |
2 | 水 | 400 | 12 | 20 | 40 | 多 |
煤油 | 400 | 6 | 20 | 40 | 少 | |
(2)实验结论
分析实验数据可以看出,质量相等、温度相同的水和煤油加热相同的时间,即让它们吸收相同
的热量,煤油上升的温度较高;使它们上升相同的温度,对水加热的时间更长一些,水吸收的热量更多一些。即不同种类的物质,吸热的本领是不一样的。水的吸热本领比煤油的大。
如果用其他物质来做实验,结论是相同的。如果让不同物质温度降低放热,当质量和降低温度相同时,放出的热量也不相同。
由此得出,不同种类的物质在质量和温度变化相同时,所吸收(或放出)的热量一般不同。
实验点拨 (1)给水和煤油加热的热源必须是相同的,这样才能保证两种物质在相同时间内吸收相同的热量。
(2)加热过程中要不断搅拌,使水、煤油均匀受热,保证温度计准确测出温度。
(3)加热前水和煤油初温应是相同的,加热前可先用温度计测量一下初温。
【例1】 为了比较水和煤油的吸热能力,小明设计了如下实验步骤:
A.在两个同样的烧杯中,分别装入等体积的水和煤油;
B.用两支温度计分别测出水和煤油的初温;
C.在烧杯中分别放入功率相同的电热器,加热相同时间;
D.用温度计分别测出水和煤油的末温。
(1)步骤A存在的错误是 ,应改为 。
(2)步骤C,加热相同时间是为了使水和煤油 。
(3)步骤B和D是为了比较水和煤油的 。
答案：(1)不应该装入等体积的水和煤油;装入等质量的水和煤油 (2)吸收相同的热量 (3)温度变化
点拨：比较水和煤油的吸热能力,应采用控制变量法。保证水和煤油的质量相等,而不是体积相等。加热相同时间是为了使水和煤油吸收相同的热量,然后比较水和煤油升高的温度,温度升高得多,吸热能力就弱,温度升高得少,吸热能力就强。
2.比热容
(1)物理意义:由实验得出,不同的物质,在质量相等、温度变化相同时,吸收(或放出)的热量不同,这是由物质本身的性质决定的,为比较不同物质这种性质上的差别,物理学中用比热容来表示。
(2)定义:单位质量的某种物质,温度升高(或降低)1 ℃所吸收(或放出)的热量,叫做这种物质的比热容。比热容用符号c表示。
比热容是为研究热传递而引入的一个物理量,为比较不同物质的吸(放)热本领,跟密度的定义方法相类似,应该取相同条件进行比较,即必须让质量、温度变化相同,质量取单位质量(1 kg),温度变化取1 ℃,在此基础上比较不同物质吸收或放出的热量,从而得出比热容的概念。
(3)单位:J/(kg·℃),读做“焦每千克摄氏度”,表示质量为1 kg的某种物质温度升高(或降低)1 ℃吸收(或放出)的热量是多少焦。
比热容的单位是由质量、温度、热量的单位组合而成的复合单位,是较复杂的单位。
根据比热容的定义,可进行如下推算:
⇒组合J/(kg·℃)
(4)定义式:根据比热容的定义,可得出在热传递过程中计算物质比热容的定义式c=,c表示物质的比热容,Q表示物体吸收或放出的热量,m表示物体的质量,Δt表示物体升高或降低的温度。
(5)比热容是物质本身的一种属性,既不随物质质量的变化而变化,也不随物质吸收(或放出)热量的多少及温度的变化而变化。只要是相同的物质,在同一状态下,不论其形状、质量、温度高低,它的比热容是相同的,不同物质的比热容一般不同。比热容反映了不同物质吸、放热本领的强弱,利用物质的这种特性可以鉴别物质。
(6)比热容表
①由于比热容是物质的特性之一,每种物质都有自己的比热容,不同物质的比热容一般是不同的,所以通过实验测出物质的比热容,制成比热容表,便于查。
②水是比热容较大的物质,其比热容为4.2×103 J/(kg·℃),表示质量为1 kg的水温度升高(或降低)1 ℃,吸收(或放出)的热量是4.2×103 J。
③有些物质的比热容相同,如冰和煤油的比热容均是2.1×103 J/(kg·℃)。
④同种物质在不同状态下的比热容一般不同,如水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),而冰的比热容为2.1×103 J/(kg·℃)。
⑤质量都为1 kg的水和干泥土吸收(或放出)4.2×103 J的热量,水可以升高(或降低)1 ℃,而干泥土可以升高(或降低)5 ℃。因此,在水较多的沿海地区,白天海水吸收大量的热量而温度升高得并不多,夜晚海水又可以放出大量的热量,而温度降低得并不多;在砂石、泥土较多的内陆、沙漠地区,白天吸收相同热量后温度会升高得较大,而夜晚放出相同的热量后温度又会降低得较多。所以沿海地区昼夜温差小,内陆和沙漠地区昼夜温差较大。
⑥水的比热容较大,决定了水是热传递过程中最好的媒介物质。北方地区冬天使用“暖气”取暖,就是利用水作为传热介质的;而在一些冷却系统中又会用水作为冷却剂,因为质量和温度变化一定时,水可以吸收(或放出)更多的热量。
巧记速记 比热容:比谁容易热,简称比热容;物质如同种,比热容相同;数小容易热,数大就不同;水的比热大,沿海温差小;砂石比热小,内陆温差大。
【例2】 根据表中几种物质的比热容,判断下列说法中不正确的是( )
物质 | 比热容/(J·kg-1·℃-1) | 物质 | 比热容/(J·kg-1·℃-1) |
水银 | 0.14×103 | 砂石 | 0.92×103 |
水 | 4.2×103 | 冰 | 2.1×103 |
A.制作体温计常用水银作为测温物质,原因之一是水银的比热容小
B.北方楼房中的暖气用水作为介质,利用了水的比热容大的特性
C.由于水比砂石的比热容大,所以内陆地区的昼夜温差比沿海地区大
D.由于水比冰的比热容大,所以冷却食品时0 ℃的水比0 ℃的冰效果好
答案：D
点拨：水银的比热容小,在相同情况下,吸热升温快,容易与人体达到热平衡,故体温计常用水银作为测温物质;比热容大的物质有一个特点就是在温度变化相同的情况下,吸收或放出的热量多,作为热的介质比较合适,所以A、B、C均正确。冷却食品时0 ℃的冰比0 ℃的水效果好,原因是晶体熔化时吸热,温度不变。
知识点2:热量的计算
1.吸热公式: Q吸=cm(t-t0)
式中Q吸表示物体吸收的热量,c表示物质的比热容,m表示物体的质量,t表示物体的末温,t0表示物体的初温。
可见,在热传递过程中,物体吸收的热量与物质的比热容、物体的质量和升高的温度有关。
2.放热公式: Q放=cm(t0-t)
式中t表示放热后的末温,t0表示放热前的初温。
3.热量计算的一般表达式:Q=cm·Δt
Δt表示温度的变化。
4.热量计算中应注意的问题
(1)物体温度改变时吸收或放出的热量只由物质的比热容、物体的质量和物体温度的改变量这三个因素决定,与物体的初温、末温的高低无关。
(2)同一公式中各物理量的单位务必统一。比热容c的单位是J/(kg·℃),质量m的单位是kg,温度(t、内能与什么有关t0或Δt)的单位是℃,热量Q的单位是J。
(3)公式只适用于无物态变化时升温(或降温)过程中的吸收(或放出)热量的计算。
(4)应用吸放热公式时,注意对有关温度的文字表述的理解。“升高”、“升高了”、“降低”或“降低了”对应的都是温度的改变量Δt,而不是物体的末温t;而“升高到”或“降低到”对应的则是物体的末温t。
易错警示 物体吸收或放出的热量是物体内能变化的量度,在热传递过程中,只有在物体的温度发生变化时,它的内能才发生变化(物体的状态不发生变化),才有热量的吸收或放出,所以热
量是过程量,只有在热传递过程中物体温度发生变化时,才能用吸热和放热公式计算。热量的多少与温度变化有关,而与物体温度的高低无关。
【例】 鄄城温泉度假村利用地热水供房间洗浴用水,请计算质量为100 kg的地热水,温度从70 ℃降低到20 ℃,放出的热量是 J。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]。
答案：2.1×107
点拨：地热水放出的热量Q放=c水m(t0-t)=4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×(70 ℃-20 ℃)=2.1×107J。
考点1:比较不同物质的吸热能力的实验探究
【例1】 如图2甲所示是教科书上提供的“探究比较不同物质的吸热能力”的实验装置。实验方法是:用两个相同的酒精灯分别给质量相同的食用油和水加热,在吸收热量相同时,通过比较它们温度升高的多少来判断吸热能力的大小。小雨经过分析思考,将实验装置加以改进,如图2乙所示。
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