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第十三章
内 能
第1节
热量、比热容
在学习物态变化时，我们经常说物体吸热或放热。例如在烧水(图13.1-1) 的时候，水会吸热我们怎样才能知道水吸收的热的多少呢
图13.1-1 烧水
能量
加热水的过程就是热传递的过程。
定义：在热传递过程中，传递的热的多少叫作热量(heat)，用符号 Q 表示。
单位：热量的单位是焦耳(J)，热量的单位与内能的单位相同。
注意：1g 水温度升高 1℃ 时吸收的热量约为 4.2J。
大家都有这样的经验：烧开一壶水比烧开半壶水需要的热量多，把一壶水烧开比把它烧成温水需要的热量多。可见，水吸收的热量和它的质量有关，也和它升高的温度有关。水的质量越大、温度升得越高，它吸收的热量就越多。别的物质也是这样。
不同的物质，例如水和食用油，在质量相等、升高的温度相同时，吸收的热量是不是一样多呢
比较不同物质吸收热量的情况
如图13.1-2和图13.1-3所示，利用相同的电加热器加热质量相等的水和食用油，使它们升高相同的温度。电加热器每秒放出的热量是一定的，当它浸没在液体中时，可以认为液体每秒吸收的热量相同。
图13.1-2 用电加热器加热水
图13.1-3 用电加热器加热食用油
比较水和食用油，哪个吸收的热量多
实验表明：质量相等的水和食用油，升高的温度相同时，水吸收的热量比食用油多。
图13.1-2 用电加热器加热水
图13.1-3 用电加热器加热食用油
实验方法
(1) 控制变量法
① 控制水和食用油的质量、吸收的热量相同，通过温度变化量的不同来说明水和食用油的吸热本领不同。
② 控制水和食用油的质量、升高的温度相等，通过加热时间 (吸收热量的多少) 的不同来说明水和食用油的吸热本领不同。
(2) 转换法：
吸收热量的多少无法直接观察，但相同的电加热器每秒放出的热量是一定的，通电时间越长，放出的热量越多。不考虑热损失，放出的热量全部被水或食用油吸收，故物质吸收热量的多少就转换成加热时间的长短。
比热容
大量实验表明：不同物质，在质量相等、升高的温度相同时，吸收的热量一般不同。
怎样表示不同物质这种性质上的差别呢
物理学中引入了比热容这个物理量。
定义：
一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比，叫作这种物质的比热容 (specific heat capacity)。比热容用符号 c 表示。
表达式：
c ＝
比热容
物质的质量
温度的变化量，表示物质升高 (或降低) 的温度
吸收 (或放出) 的热量
单位：
它的单位是焦每千克摄氏度，符号是 J/(kg·℃)。也可写作 J·(kg·℃)－1，比热容的单位是由质量、温度和热量的单位组合而成的复合单位。
物理意义：
1 kg 的某种物质，温度降低 1℃ 所放出的热量，与它温度升高 1℃ 所吸收的热量相等，数值上都等于它的比热容。
如水的比热容是 4.2×103 J/(kg·℃)，其物理意义是质量为 1 kg 的水，温度升高 (或降低) 1 ℃ 时所吸收 (或放出) 的热量为 4.2×103 J。
比热容是反映物质自身性质的物理量。不同的物质，比热容一般不同。
表13.1-1 一些物质的比热容
质量相等的不同物质，当吸收或放出同样的热量时，比热容较大的物质温度变化较小。因此，比热容大的物质对调节温度有较强的作用。从表13.1-1中可以看出，水的比热容较大。当环境温度变化较快的时候，水的温度变化相对较慢。生物体内水的比例很高，有助于调节生物体自身的温度，以免温度变化太快对生物体造成严重损害。
水的比热容是沙子的 4 倍多。质量相等的水和沙子，要使它们上升同样的温度，水会吸收更多的热量；如果吸收或放出的热量相同，水的温度变化比沙子小得多。夏天，阳光照在海上，尽管海水吸收了许多热量，但是由于它的比热容较大，所以海水的温度变化并不大，海边的气温变化也不会很大。而在沙漠，由于沙子的比热容较小，吸收同样的热量，沙子的温度会上升很多，所以沙漠的昼夜温差很大(图13.1-4)。
图13.1-4
海边的昼夜温差比沙漠的小
我国北方楼房中的暖气用水作为介质，把燃料燃烧时产生的热量带到房屋中。用水作为输送热量的介质有什么好处 生产生活中，还有没有用水来加热或散热的情况
分析这个问题时应从物理学与生活实际诸多方面考虑从物理学角度讲，水的比热容比煤油、酒精等液体的比热容要大得多，一定质量的水升高(或降低)一定的温度，吸收(或放出)的热量较多。
升高相同的温度时，相同质量的水比其他液体从热源获得的热量较多，再进入暖气片时向外释放的热量也较多，所以用水作介质效果较好。从生活实际考虑，水无色、无味、清洁、取用方便、安全环保，并且水比煤油、酒精等其他液体要廉价得多，经济实用。生活中，人们常用热水袋取暖；生产中，很多机器设备用水作冷却剂等。
拓展实验
图13.1-5 比热容实验装置
用传感器比较不同物质的比热容
如图13.1-5所示，用铁夹将温度传感器及分别盛有质量相等的水和食用油的两支试管固定在铁架台上，温度传感器的探头部分要分别与试管内的水和食用油接触良好。温度传感器通过数据采集线与计算机相连接。
在计算机上打开与此仪器配套的专用软件，点击“开始记录”，同时打开红外加热器的开关，对盛有水和食用油的试管进行加热，在计算机上可以得到水和食用油的温度—时间图像，进而比较它们的比热容。
图13.1-5 比热容实验装置
热量的计算
比热容在数值上等于 1kg 的某种物质温度升高 1℃所吸收的热量。如果知道一种物质的比热容，再知道这种物质的质量和升高的温度，就能计算它吸收的热量。
沙子的比热容约为 0.92×103J/(kg ℃)，这表示质量是 1kg 的沙子温度升高 1℃ 时吸收的热量约为 0.92×103 J。把质量是2kg、温度为 20℃ 的沙子加热到 30℃，沙子吸收的热量约为多少 利用这些热量给质量是 2kg、温度为 20℃ 的水加热，水的温度会上升到大约多少摄氏度
沙子吸收的热量：
Q吸1＝c沙m沙(t－t0)
＝0.92×103J/(kg·℃)×2 kg×(30 ℃－20℃)
＝1.84×104J.
水吸收的热量 Q吸2＝Q吸1＝1.84×104J，由 Q吸＝cm(t－t0)可知，
水的末温 t＝＝＋20℃＝22℃。
如果以 Q吸 代表物体吸收的热量，c 代表物质的比热容，m 代表物体的质量，t0 和 t 分别代表物体初、末状态的温度，那么通过上面的计算，我们可以总结出一个计算物体吸收热量的公式：Q吸＝cm(t－t0)。
如果要计算物体降温时放出的热量 Q放，则 Q放＝cm(t0－t)。
地球的温室效应
太阳通过热辐射把能量输送到地面，温暖了地球，养育了万物。
地表受热后，也会通过热辐射向外传递热量。地球表面大气层中的二氧化碳等气体会吸收这种向外的热辐射，因此地表的温度会维持在一个相对稳定的水平，这就是温室效应。适度的温室效应是维持地球上生命生存环境的必要保证。
大气层中的大部分二氧化碳是自然产生的，然而现代工业大量燃烧煤和石油产生了过量的二氧化碳。另外，人类大量砍伐森林，削弱了植物因光合作用对二氧化碳的消耗。这些都加剧了地球的温室效应。过度的温室效应是近年来全球气候变暖的重要原因。
如果地球表面的温度过高，将会导致两极的冰川融化(图13.1-6)，使得海平面上升，有些沿海城市面临建筑被淹和海水侵蚀等严重问题，大片良田盐碱化。温度的升高还会影响全球气候，使得一些地区暴雨成灾，而另外一些地区干旱少雨，土地变成了荒漠。
以“温室效应”等为关键词在互联网上进行搜索，了解我国为应对温室效应所采取的措施。
图13.1-6 冰川融化
在标准大气压下，水的沸点是100℃，某种牛奶的沸点是100.7℃。加热条件相同时，加热质量相等、初温相同的水和牛奶，牛奶比水先沸腾。请根据比热容的定义讨论，水和牛奶哪个的比热容大。
由题可知加热相同时间，
Q奶吸＝Q水吸，
牛奶先沸腾，则 t奶＞ t水，
由题知 m奶＝m水，
根据比热容公式 c＝，
可知 c水＞c奶。
有同学根据 c＝ 认为：比热容跟物体吸收或放出的热量有关，而且物体的质量越大，它的比热容越小。这种认识正确吗 说说你的看法。
这种说法不正确，因为比热容是物质的一种特性，只与物质种类、状态有关，在数值上等于物体吸收的热量与物体质量和升高温度的比值，但与物体吸收的热量、质量无关。
质量为 2kg 的某种物质，当温度从 20℃ 升高到 40℃ 时，吸收的热量是1.88×104J。该物质的比热容是多少
0.47×103 J/(kg·℃)
解析：由 Q吸＝cm(t－t0) 得该物质的比热容
c＝＝
＝0.47×103J/(kg·℃)。
质量相等的铝块和铜块，吸收了相同的热量，哪个的温度上升得较高 说说你的推断过程。
由题意知，m铝＝m铜，Q铜吸＝Q铝吸，C铜＜C铝，由 c＝Q吸 m(t－t0) 可知，
t＝t－t0＝Q吸，
所以 t铜＞ t铝，即铜的温度上升得较高。
有一根烧红的铁钉，温度是800℃，质量是 1.5g。当温度降低到 20℃ 时，它放出了多少热量
538.2 J
解析：通过查表知铁的比热容是 0.46×103J/(kg·℃)，由放热公式 Q》-cm(to-t),
“早穿皮袄午穿纱，守着火炉吃西瓜。”这句谚语生动描述了新疆一些地区一天中的温度变化。请从比热容的角度分析，与沿海地区相比，新疆这些地区昼夜温差大的原因是什么。
水的比热容比砂石大，相同质量的水与砂石，吸收或放出相同的热量后水升高或降低的温度较小，因此沙漠地区夜温差大，而沿海地区昼夜温差小。
1. 小明为了探究物质的吸热能力跟哪些因素有关，他用如图所示的装置做了如下的实验：用四个烧杯，分别盛 200 g 水、100 g水、200 g 煤油、200 g 煤油，然后用相同的电加热器给四个烧杯同时加热，得到的数据记录如表所示，请根据有关数据回答下面的问题。
(1)比较 1、2 的记录，得到的结论是________________________ ____________________________________________________。
(2)比较 3、4 的记录，得到的结论是________________________ ____________________________________________________。
质量不同的同种物质升高相同的温度时，吸收的热量不相同
质量相同的同种物质升高不同的温度时，吸收的热量不相同
(3) 为了说明吸收的热量还跟物质的种类有关，应比较________两条记录。
1 和 3
(4) 结论：物质吸热的多少跟 ___________、_____________ 和 ____________有关；水与煤油比较，________的吸热能力更强，即 ________ 的吸热本领更大。
质量
升高的温度
物质的种类
水
水
2. 对公式 c＝ 的理解，下列说法正确的是 ( )
A. 物质的比热容与物体的质量成反比
B. 比热容与物体质量大小、温度变化大小、吸热或放热的多少无关
C. 物质的比热容与物体是吸热还是放热有关
D. 物质的比热容与物体的温度变化大小成反比
B
3. (山东济南一模)山东“济西国家湿地公园”位于山东省济南市西部城区，总规划面积11.3平方公里。建成后将成为融生态保护、科普宣教、文化展示、观光旅游等多功能一体化的生态休闲乐园。该景区与市区相比温差较小，其主要原因是水的( )
A. 比热容大 B. 热量少
C. 温度高 D. 质量大
A
4. 用相同的电加热器分别给质量相等的 A 和 B 两种液体加热 (不计热量损失)，如图所示是它们的温 度随加热时间的变化图像。下列说法 正确的是( )
A. 液体 A 的比热容比 B 的大
B. 液体 A 与 B 的比热容之比为 2:1
C. 加热相同时间，液体 B 吸收的热量比 A 吸收的热量多
D. 液体 A 和 B 升高相同的温度，B 吸收的热量较多
D
5. (四川成都一模)打制铁质工具时要淬火以提高工具的硬度。现将一质量为 420 g、温度为 550 ℃的烧红的铁件淬火，淬火后温度降低到 50 ℃，已知铁的比热容为 0.46×103J/(kg·℃)，求：
(1) 此过程中铁件释放的热量是多少
(2) 若这些热量全部用于加热 5 kg 温度为 30 ℃ 的水，则水温将升高到多少
9.66×104J
34.6 ℃

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