比热容

比热容（英文：Specific Heat Capacity）^[1]是热力学中常用的一个物理量，是指单位质量的物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，表示物体吸热或散热能力。^[5][3]在国际单位制中，比热容的单位为J/( kg·K) 。是指在等压（或等容）过程中，将单位质量的物质加热1度时所需要的热量。^[5]

英国化学家、物理学家约瑟夫•布莱克(Joseph Black)在1757年通过水和水银的混合实验引入了比热容。^[4]拉瓦锡（Antoine Lavoisier）和拉普拉斯（de Laplace）测试出各种物质包括水的热容量与比热并在1777年设计出了当时最精确的量度热量的方法。^[6]杜隆、珀替和爱因斯坦等人都对比热容进行了相关研究并发表了相关理论。^[7][8]

比热容在工农业生产方面有广泛的应用。^[9][10][11]材料的比热容应用于对太阳能发电以及道路性能方面。^[9][10]比热容同时对农业也影响巨大，可以应用到食品保鲜和生产中。^[11][12]

英国化学家、物理学家约瑟夫•布莱克(Joseph Black)在1757年通过水和水银的混合实验，澄清了温度与热是两个不同的概念，提出了热容量、潜热等比热容理论，并由其学生逐渐完善，最终引入了比热容。^[4][6]

测试出各种物质包括水的热容量与比热的具体工作是由法国的拉瓦锡（Antoine Lavoisier）和拉普拉斯（de Laplace）完成的。他们在1777年设计出了当时最精确的量度热量的方法，制造了冰量热器，并将1磅（约合0.373kg）水升高1℃的所需要的热量规定为1个热量单位，称作卡(cal)。^[6]

1819年杜隆（Dulong）和珀替（Petit）首先测量了13种固体材料室温下的定压比热容值。他们发现定压比热容和原子量的乘积近似为常数。 之后对于温度低于熔点温度、 高于室温的化合物和合金都得到类似结果。且化合物比热容为各组元原子比热容之和。合金原子比热容等于各组成原子比热容和其浓度乘积之和。杜隆一珀替定律直到1871年才被波尔兹曼所证实。^[7]

1901 年 ， 普朗克的量子理论认为振子的能量不是依经典理论预示的那样连续变化的，而是仅以振动频率ω和普朗克常数h的乘积变化的。 1907年，爱因斯坦（Einstein）将量子理论应用于固体原子或分子的热振动。假设在一定温度下，晶格中所有粒子都以相同的频率独立地振动。由此导出了室温下与杜隆一珀替定律相同的比热容值。在绝对零度时，比热容以指数形式趋向于零。^[7]

1912年德拜（Debye）对爱因斯坦理论的原子以固有频率振动的假设提出修正。根据波动学观点，当波长大于原子间的距离时，可将晶体视为连续介质。德拜理论的基本假设就是晶体的所有振动方式都可应用连续介质模型处理，原子以不同频率在晶格上振动，形成驻波，其频率有最大值，称为德拜频率，最大频率对应的波长不小于晶格间距L，因而认为固体是一个有限的连续弹性体，并据此推导了德拜比热容公式。^[8]

比热容是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。^[3]在等压（或等容）过程中，将单位质量的物质加热1度时所需要的热量称为比热容。换言之，单位质量的物体的热容量叫作该物质的比热容。^[5]

^[5]

式中：为吸收（或放出）的热量；是吸热（或放热）后温度的变化量；是物体的质量。^[5]

在热学的范围中，一般常用的是以下三种比热容。^[2]

定压比热容；在定压条件下变化的比热容。对于热力学简单体系，只要两个自变量就可以确定其热力学状态的体系，即在压强、比容，温度中，如有两个是独立的自变量，则可用以下表达式

^[2]

定容比热容:在定容条件下变化的比热容。在和上面相同的条件下，可表示为

^[2]

饱和比热容:物质沿饱和状态线上各状态点变化时所对应定义的比热容。即当物质由在某一温度（对应于相应的压强）时的饱和状态变化到相邻一点的饱和状态（对应于另一个温度和压强值)，体系的单位质量物质与外界的传热量和温度变化之比。^[2]

一个体系与外界因温度差异面进行热交换，使体系的温度发生变化，这个变化过程的传热量与体系的温度变化之比称为该体系的热容。如果体系的温度变化范围较大，则这个热容是指在这一个温度范围内的平均热容。而取在某一状态下的热容则是用平均热容的极限概念：

^[2]

其中不能作为状态参数的微分来对待。^[2]

气体的定压比热容和定容比热容是热力学过程中的两个重要参量，它们的比值称为气体的比热容比，用符号表示（即 )，它被称为气体的绝热系数，它是一个重要的参量，经常出现在热力学过程中，特别是绝热过程中。通过测量，可以加深对绝热、定容、定压、等温等热力学过程的理解。^[13]

测量物质比热容的方法有很多种，且进行比热容的实验测量应遵循两条原则 ：一是保持系统为孤立系统 ，即系统与外界没有热交换 ；二是只有当系统达到热平衡时，温度的测量才有意义。理想的绝热系统往往是很难实现的，只要有温差存在，总会发生系统与外界热交换的现象 ，而不管系统与外界的热交换是放热还是吸热，都会给测量结果带来系统误差。^[14]

闪光法

闪光法可用来测量试样的比热容。具体方法是用一个已知比热容的试样作为参考样使它和待测样品的表面都涂有吸收率相同的极薄涂层（一般用胶体石墨），分别进行同样的闪光加热，测出两次实验的最大温升及表征激光能量大小的信号，可得待测样比热容：

^[13]

式中Cx，Cr分别为待测和已知比热容，M为质量，是最大温升值，Qx、Qr是表征能量大小的信号，脚标r表示已知（参考）样品，x为待测样品。 ^[13]

电热法

电热法测量液体比热容的实验装置如图1所示。电阻丝两端电压为，通过的电流为，通电时间为，则电阻丝释放的热量为

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(1)设被测液体质量为，比热容为，系统其他附件 (内筒、搅拌器 、电阻丝等 )总质量为，比热容为，测量过程中系统与外界无热交换时有

^[15]

其中和为被测液体的初温和末温 。^[15]

量热法

物质比热容是指单位质量的物体升高或下降单位温度所吸收或释放出的热量。因此，根据比热容的定义可以用已知质量的被测物体温度升高或下降ΔT，通过热量计量仪或其他已知比热、质量的物质发生相应的温升或温降，计算出被测物质在此过程释放或吸收的热量，从而间接计算出比热容。^[16]

准稳态方法

若热力系统中每点的温度随时间的变化可表示为则此时热力系统所处的状态称为准稳状态，简称准稳态。在准稳态热力系统中取一个微元体 ，则微元体在时间吸收的热量为^[17]

式中：式中：为热力系统的初始温度；为时间；为常数。 是物质的比定压热容；为热力系统的总质量；Q为系统温度变化率为 时质量所吸收的总热量。^[17]

DSC法

示差扫描量热技术（简称DSC），其原理是将待则试样和参比物以一定的速度升（降）温，在保证两者的温度差恒为零的条件下，记录两者的功率差时间（或温度）曲线及试样升温（或降温）过程中吸收（或放出）的热量，即Q-T曲线或Q-t和T-t联合曲线，求得试样的比定压热容；

^[18]

式中是输入试样的热流速率（J/s）；是试样的质量（kg）；是升温速率（K/s）。^[18]

为提高测量精度，可采用比较法，即用已知比热容的标准物质，如人造蓝宝石等来标定仪器。^[18]

JSBR-1金属比热容测量仪

JSBR-1金属比热容测量仪主要由以下部分组成： 1.热源，采用75W电烙铁改制而成，利用底盘支撑固定并可以上下移动；2.实验样品，直径5mm，长30cm的小圆柱体，其底部钻一个深孔便于安放热电偶，而热电偶的冷端放于冰水混合物内；3.铜－康铜热电偶；4.热电偶支架；5.防风容器；6.三位半数字电压表。^[19]

FD-NCD-II空气比热容比测定仪

FD-NCD-II 型空气比热容比测定仪由扩散硅压力传感器、AD590集成温度传感器、电源、容积为1000 mL左右的玻璃瓶、打气球及导线等组成。^[20]

在国际单位制中，选取在等压过程中（或等容过程中），将1kg质量的物质加热1K，需要1J热量时的比热容定为比热容的单位。^[5]

^[5]

聚光太阳能热发电是一种大规模、具有商业可行性的发电模式。聚光太阳能热发电拥有蓄热系统能持续不间断供电，电力品质良好，因而比风力发电和太阳能光伏发电更有竞争力。由于传热蓄热技术是其中的一项关键技术，选择热性能良好、价格低廉的传热蓄热介质也就显得尤为重要。熔融盐因具有广泛的使用温度范围、低蒸气压、大热容量、低黏度、良好的稳定性等诸多特性而受到人们的广泛关注。其中，西班牙的 CESA-1 电站，美国的MESS电站2和 Solar Two电站3等均使用熔盐作为蓄热介质，这些电站的成功运行为熔盐蓄热提供了大量宝贵资料，也验证了熔盐作为太阳能热发电系统蓄热介质的可行性及优越性。^[9]

环境温度的变化可直接影响道路的路用性能，而道路材料的热性能直接决定其在外界温度不断变化下的道路服务性能。材料的热性能对路面材料的选择和设计、施工技术和修复周期、城市气候研究等至关重要。选择具有适当热性能的路面材料可以有效解决城市热岛效应(UHI)问题。国外已有研究表明，路用材料热性能的相关参数，特别是导热系数和比热容，是检验或预测路面热状况的重要材料参数。其中，比热容是指均相物质在没有发生相变化和化学变化条件下每升高1℃所需的热量，可用于评价路面层瞬态热流的热学性能，美国国家合作公路研究计划(NCHRP)建议将比热容、热导系数等热性能参数作为路面材料性能的输入参数。^[10]

食品的比热容在其加工、流通、保鲜环节起着重要的作用。在食品的杀菌、冷冻、干燥等单元操作中都伴随着很多加热和冷却环节，其设备和物料都会有从高温向低温部位的热量传递，需要预测干燥或冷却的速率及研究物料内部温度分布的规律，尤其在用加热的方法进行杀菌时，还会出现诸如蛋白质变性和微生素破坏等劣化现象。因此，对食品热物性的研究对于设计食品的制冷、冻结及冷链系统有重要的作用。^[11]

土壤的比热容是指单位质量或原状体积土壤温度升高1°C所需的热量。在实际的农业生产中，土壤的成份是化学物质与水的混合且含水量不同的土壤对农业生产的影响是不同的。土地在冻结和熔解过程中吸收或者放出的热量往往会在很大程度上影响气象和气温。因此，测量含水土壤的比热对于实际的生活有一定的现实意义。^[12]