比熱容、恆壓比熱容和恆容比熱容

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介紹

物質的熱容由提高給定質量物質溫度所需的熱量來定義，其溫度單位例如攝氏度。需要能量來改變物質的熱量。

熱屬性的概念用於測量物體的熱容，即測量恆容 (CV) 和恆壓 (CP) 之間的關係。在本教程中，CV 和 CP 之間的關係用與熱量測量相關的正確屬性來表示。

比熱容概述

熱容是作為基本視角而被考慮的關鍵因素之一，熱容的應用在實踐中包括傳統價值。

熱容的測量使用溫度引數。通常，液體熱容是廣泛的並且極度依賴於溫度。0.4 和 0.5 cal/g·K 之間是指液體有機物的沸點。水的熱容可以在 0°C 到 350°C 之間變化 (Sciencedirect, 2022)。

圖1：熱容概述

比熱容的測量

可以使用兩個基本屬性來估算熱容：提供的能量 (E) 和溫度 (T)。測量熱容的基本公式是能量除以溫度。焦耳被用作測量熱容的 SI 單位。通常，熱容是透過每度所需的能量來測量的。

所需能量 = 質量 x 比熱容 x 溫差

(Pooley 等人，2020)。

答案將遵循焦耳單位。公式是

熱容 = E / T

恆容比熱容 (CV) 和恆壓比熱容 (CP)

圖2：恆容 (CV) 和恆壓 (CP) 比熱容

在恆定壓力和熱量下，不同物體的熱容不同。大多數情況下，熱量的傳遞取決於物質的型別。與固體不同，氣體或液體在熱容方面非常極端。

熱量的應用可以透過 CV 和 CP 以及隨後的應用來限制。當熱量在恆定體積下傳遞時，它被稱為等容過程 (Stepanov, 2020)。

而當在恆定壓力下傳遞熱量時，它被稱為等壓過程。大多數情況下，在加熱過程中保持確定的氣體體積穩定。這導致氣缸中氣體的壓力在加熱過程中增加。

評估

為了用等壓過程測量不同常數下的熱量，氣體驅動活塞克服其阻力所做的功；對於等容過程的應用，氣體沒有做功也沒有對其做功。因此，在等壓過程中，傳遞的熱能並非完全用於提高氣體分子的動能。一部分傳遞的熱能轉化為功，因此無法用於提高溫度 (Biele 等人，2022)。這部分熱能導致分子動能的增加，並相應地導致溫度升高，即所謂的內能 ΔU。

該過程主要由氣體遵循，並使溫度冷卻過程與壓力-體積功有關。為了傳達相同的溫度變化，在等壓加熱過程中需要傳遞更多的熱量來抵消過程中所做的功 (Tec-science, 2022)。因此，在等壓情況下，比熱容始終大於等容過程。

CV 和 CP 之間的關係

像氣體這樣的可壓縮物質與壓力-體積功原理相關的物質的 CP 和 CV 的冪是恆定的。在不同的情況下，固體和液體物質是獨特的。低的熱膨脹可以忽略不計。

圖3：能量轉換中的比熱容

公式 q = n C ∆T 表示獲得任何物質一摩爾物質的 ∆T 溫度差異所需的熱量 q。這裡的常數 C 稱為該物質的摩爾熱容。因此，物質的摩爾熱容定義為使 1 摩爾物質的溫度改變 1 個單位所需的熱量。它取決於物質的性質、長度和過程的性質 (Johnson, Martin & , 2020)。

在恆定體積下，摩爾熱容 C 用 CV 表示，恆定壓力用 CP 表示。

結論

在本教程中，已經定義了恆定體積和壓力之間的關係，用於透過摩爾表達的溫度定義。任何物質的熱容都由熱量與動能的傳遞決定。物體的比熱表明需要多少能量才能使其升高一個單位（通常為 1 克/度）。

常見問題解答

Q1. 為什麼氣體的比熱取決於恆定壓力？

由於氣體在恆定體積下被加熱，因此 CP 高於 CV。透過施加恆定壓力，可以很容易地用外部壓力來增加氣體的內能。

Q2. 什麼是熱傳遞？

直接對應於能量變化的熱量變化可以提高將熱量新增到質量 (m) 的必要性。質量會影響熱量的轉換。

Q3. 等壓過程中會發生什麼？

由於氣體體積在等壓過程中明顯變化，因此它能夠使壓力保持在穩定量。

參考文獻

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

網站

Geeksforgeeks, (2022), 關於熱容，檢索自：https://www.geeksforgeeks.org/heat-capacity/ [檢索於 2022 年 6 月 16 日]

Sciencedirect, (2022), 關於熱容，檢索自：https://www.sciencedirect.com [檢索於 2022 年 6 月 16 日]

Tec-science, (2022), 關於恆容比熱容 (CV) 和恆壓比熱容 (CP)，檢索自：https://www.tec-science.com [檢索於 2022 年 6 月 16 日]