比热容、恒压比热容和恒容比热容

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介绍

物质的热容由提高给定质量物质温度所需的热量来定义，其温度单位例如摄氏度。需要能量来改变物质的热量。

热属性的概念用于测量物体的热容，即测量恒容 (CV) 和恒压 (CP) 之间的关系。在本教程中，CV 和 CP 之间的关系用与热量测量相关的正确属性来表示。

比热容概述

热容是作为基本视角而被考虑的关键因素之一，热容的应用在实践中包括传统价值。

热容的测量使用温度参数。通常，液体热容是广泛的并且极度依赖于温度。0.4 和 0.5 cal/g·K 之间是指液体有机物的沸点。水的热容可以在 0°C 到 350°C 之间变化 (Sciencedirect, 2022)。

图1：热容概述

比热容的测量

可以使用两个基本属性来估算热容：提供的能量 (E) 和温度 (T)。测量热容的基本公式是能量除以温度。焦耳被用作测量热容的 SI 单位。通常，热容是通过每度所需的能量来测量的。

所需能量 = 质量 x 比热容 x 温差

(Pooley 等人，2020)。

答案将遵循焦耳单位。公式是

热容 = E / T

恒容比热容 (CV) 和恒压比热容 (CP)

图2：恒容 (CV) 和恒压 (CP) 比热容

在恒定压力和热量下，不同物体的热容不同。大多数情况下，热量的传递取决于物质的类型。与固体不同，气体或液体在热容方面非常极端。

热量的应用可以通过 CV 和 CP 以及随后的应用来限制。当热量在恒定体积下传递时，它被称为等容过程 (Stepanov, 2020)。

而当在恒定压力下传递热量时，它被称为等压过程。大多数情况下，在加热过程中保持确定的气体体积稳定。这导致气缸中气体的压力在加热过程中增加。

评估

为了用等压过程测量不同常数下的热量，气体驱动活塞克服其阻力所做的功；对于等容过程的应用，气体没有做功也没有对其做功。因此，在等压过程中，传递的热能并非完全用于提高气体分子的动能。一部分传递的热能转化为功，因此无法用于提高温度 (Biele 等人，2022)。这部分热能导致分子动能的增加，并相应地导致温度升高，即所谓的内能 ΔU。

该过程主要由气体遵循，并使温度冷却过程与压力-体积功有关。为了传达相同的温度变化，在等压加热过程中需要传递更多的热量来抵消过程中所做的功 (Tec-science, 2022)。因此，在等压情况下，比热容始终大于等容过程。

CV 和 CP 之间的关系

像气体这样的可压缩物质与压力-体积功原理相关的物质的 CP 和 CV 的幂是恒定的。在不同的情况下，固体和液体物质是独特的。低的热膨胀可以忽略不计。

图3：能量转换中的比热容

公式 q = n C ∆T 表示获得任何物质一摩尔物质的 ∆T 温度差异所需的热量 q。这里的常数 C 称为该物质的摩尔热容。因此，物质的摩尔热容定义为使 1 摩尔物质的温度改变 1 个单位所需的热量。它取决于物质的性质、长度和过程的性质 (Johnson, Martin & , 2020)。

在恒定体积下，摩尔热容 C 用 CV 表示，恒定压力用 CP 表示。

结论

在本教程中，已经定义了恒定体积和压力之间的关系，用于通过摩尔表达的温度定义。任何物质的热容都由热量与动能的传递决定。物体的比热表明需要多少能量才能使其升高一个单位（通常为 1 克/度）。

常见问题解答

Q1. 为什么气体的比热取决于恒定压力？

由于气体在恒定体积下被加热，因此 CP 高于 CV。通过施加恒定压力，可以很容易地用外部压力来增加气体的内能。

Q2. 什么是热传递？

直接对应于能量变化的热量变化可以提高将热量添加到质量 (m) 的必要性。质量会影响热量的转换。

Q3. 等压过程中会发生什么？

由于气体体积在等压过程中明显变化，因此它能够使压力保持在稳定量。

参考文献

期刊

Biele, J., Grott, M., Zolensky, M. E., Benisek, A., & Dachs, E. (2022). The specific heat capacity of astro-material I: Review of theoretical concepts, materials and techniques. Retrieved from: https://www.researchsquare.com

Johnson, C. V., Martin, V. L., & Svesko, A. (2020). Microscopic description of thermodynamic volume in extended black hole thermodynamics. Physical Review D, 101(8), 086006. Retrieved from: https://link.aps.org

Pooley, L. I., Abu-Bakar, A. S., Cran, M. J., Wadhwani, R., & Moinuddin, K. A. (2020). Measurements of specific heat capacity of common building materials at elevated temperatures: a comparison of DSC and HDA. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 141(4), 1279-1289. Retrieved from: https://vuir.vu.edu.au

Stepanov, I. A. (2020). Determination of the isobaric heat capacity of gases heated by compression using the Clément-Desormes method. J. Chem. Biol. Phys. Sci. Section C, 10, 108-116. Retrieved from: https://www.researchgate.net

网站

Geeksforgeeks, (2022), 关于热容，检索自：https://www.geeksforgeeks.org/heat-capacity/ [检索于 2022 年 6 月 16 日]

Sciencedirect, (2022), 关于热容，检索自：https://www.sciencedirect.com [检索于 2022 年 6 月 16 日]

Tec-science, (2022), 关于恒容比热容 (CV) 和恒压比热容 (CP)，检索自：https://www.tec-science.com [检索于 2022 年 6 月 16 日]