12.3 研究物质的比热容
【与教材不同之处】
更详细描述什么是吸热能力；更详细描述比热容概念；更详细描述如何科学解释生活中与比热容有关的现象；更详细分析了比热容的坐标图像；更详细描述吸收热量公式的应用；更详细描述燃烧效率。
如何比较不同物质的吸热能力
什么是吸热能力？
吸热能力，即物质吸收热量的能力，可以通过类比人的饭量来理解。
比较不同人的饭量可以通过两种方法：一是吃同样多的饭，比较吃饱的程度；二是吃到一样的饱度，比较吃饭的数量。
类似的，比较不同物体的吸热能力也可以通过两种方法：一是吸收相同的热量，比较物体升高的温度，物体升高的温度更多的，吸热能力弱；二是升高相同的温度，比较吸收热量的多少，物体吸收热量多的，吸热能力强。
实验探究不同物质的吸热能力
如图12-2-1所示，取相同质量水和油让，用完全相同的热源对它们加热，加热相同的时间，比较它们升高的温度。
完成实验后，将数据填入下表1中。
需要强调的是，本实验的加热时间其实代表的是物质的吸收热量的多少。因为热量无法直接测量出来，但可以通过加热时间的长短来间接知道吸收热量的多少。这里采用的物理方法叫做转换法。
通过表格数据的分析，有如下几个实验事实:
（1）水和食用油均加热5分钟，水升高的温度是56℃-20℃=36℃，油升高的温度是65℃-20℃=45℃，油升高的温度比水多。
这说明，相同质量的不同物质，吸收相同的热量，温度变化的多少是不相同的。由于油的温度变化大，所以油的吸热能力弱；水的温度变小，所以水的吸热能力强。
（2）水和食用油均由20℃至56℃时，水用了5分钟的加热时间，油只用了4分钟的加热时间，水的加热时间更长，意味着水吸收的热量更多。
这说明，相同质量的不同物质，升高的温度相同时，吸收的热量是不相同的。由于水吸收的热量多，所以水的吸热能力强；油吸收的热量少，所以油的吸热能力弱。
因此，无论是从“相同的吸收热量比温度升高的多少”的角度，还是从“相同升温比吸收热量多少”的角度，都得到相同的结论：水的吸热能力比油强。
什么是比热容
为了反映物质的吸热能力，物理学提出比热容概念。若某种物质的比热容越大，则反映该物质的吸热能力强。
由于水的吸热能力比油强，因此水的比热容一定比油大。
由于吸收热量越多，温度变化越小，可以表示物质的吸热能力越强，所以，物理学上规定，某种物质吸收的热量与质量、温度的变化量的比值，叫做这种物质的比热容，用符号c表示。
根据定义，求解比热容的公式为
其中，c表示比热容，Q表示吸收或放出的热量，m表示物体的质量，△t表示该物质温度的变化量。
根据公式，便可知比热容的单位是J/（kg·℃）。
经过科学测定，水的比热容的大小为4.2×103J/（kg·℃）。水的比热容的大小具有什么样的物理意义呢？
这表示1kg的水每升高（或降低）1℃时将吸收（或放出）的热量是4.2×103J。
需要强调的是，水的比热容跟水的密度一样，是同学们需要记住的一个数值。
从前面的实验事实可以看出，比热容类似密度一样，都是反映物质的一种属性或能力。也就是说，比热容与物质的种类，状态等内在因素有关，而与吸收或放出的热量的多少无关，与质量无关，与温度的变化量等外在因素无关。
比如说，水的比热容比油大，这种性质与水的质量多少，水的温度变化的多少，水吸收热量的多少是无关的。即使是一滴水，它的比热容也比一杯油的比热容大。
需要强调的是：某种物质的比热容大，并不只是指该物质的吸热能力强，也代表该物质的放热能力也很强。所以，比热容反映的是物质吸热能力（或放热能力）的强弱。
有时，物体的吸（放）热能力也被描述为吸（放）热性能、吸（放）热属性等字眼。
比热容的图像分析
根据表1的数据，我们还可以作出有关比热容的坐标图像，如图12-3-2所示。
显然，代表水的比热容的直线的倾斜程度比较平缓，代表油的比热容的直线的倾斜程度比较陡峭。由图可知，两条倾斜的直线就代表了水和食用油两种物质的比热容。
这说明，比热容越大的物质，对应的比热容坐标中的直线的倾斜程度将更平缓；代表比热容越小的物质，对应的比热容坐标中的直线的倾斜程度将更陡峭。
几种物质的比热容
分析下面的物质比热容的表格2，我们可以获得哪些信息呢？
从表中的信息可知：
（1)一般地，不同物质的比热容是不相同的。但也有例外，比如煤油与冰，它们的比热容是相同的。
（2）相同物质，不同状态，比热容一般是不相同的。比如，水的比热容比冰大。
（3）固体的比热容一般比液体的比热容小。比如，水的比热容比砂石大。
（4）表格中，水的比热容是最大的。水银和铅的比热容最小。
生活中有关比热容的现象解释
如图12-3-3所示，白天中午的时候，海水凉而沙滩烫脚；到了傍晚时分，海水相比沙滩更温暖， 这是为什么呢？
白天，相同的日照时间，说明水和砂石吸收了相同的热量。由于水的比热容比砂石大，当物体的质量和吸收的热量相同时，水升高的温度少，而砂石升高的温度多，所以，白天时，我们会感觉到海水凉而沙滩烫脚。这种现象与比热容有关。
当傍晚时分，水和砂石开始放热，由于水的比热容比砂石大，当物体的质量和放出的热量相同时，水降低的温度少，而砂石降低的温度多，所以，傍晚时分，我们会感觉到海水比沙滩更温暖。
看来，由于水的比热容大，白天升温时的温度变化小，晚上降温时的温度变化也小，于是，海边上的白天与晚上的温度变化小（即温差小）。这就是为什么沿海地区的城市的气候有“四季如春”的美誉。
对于砂石而言，情况相反，由于它的比热容小，白天升温时的温度变化大，晚上降温时的温度变化也很大，所以，在只有砂石的沙漠地区，白天与晚上的温度变化是非常大的。也就是，白天热得可能要中暑，晚上冷得可能打哆嗦。
比如，在砂石较多的西藏地区，西藏人民的穿衣一般只穿一半，如图12-3-4所示，并不是为了独出心裁地漂亮，而是为了适应由于砂石比热容小，早晚温差大的特殊环境。白天热，为了降温就露出半个胳膊出来，晚上冷，为了御寒就又套上半个衣袖包裹严实。
在新疆地区，也因为砂石较多且砂石比热容小，有“早穿棉袄午穿纱，围着火炉吃西瓜”的民族谚语。
运用控制变量法来描述与比热容有关的现象
需要强调的是，当我们完整性解释跟比热容有关的现象时，一定要记得要运用控制变量法，即首先要说明“哪些因素是相同的”，再来说明“当某物质比热容是大或小时，温度会如何变化”，最后说明“出现什么现象”。
我们用几个例子来运用控制变量法来描述与比热容有关的现象。
例1：沿海地区经常会“海陆风”现象，试运用比热容知识分析一下，白天时，风是由海面吹向陆地，还是陆地吹向海面？
【分析】在分析过程，必须强调“水和砂石的质量和吸收的热量相同”。
解：如图12-3-5所示，白天时，当水和砂石的质量和吸收的热量相同时，由于水的比热容比砂石大，升温后，水的温度较低，砂石的温度较高。根据热胀冷缩的原理，陆地的空气受热膨胀更明显，空气密度变小，往上升，地面附近的空气由海面上的空气来补充，从而形成由海面吹向陆地的“海风”。
需要强调的是，在夜晚时，当水和砂石的质量和放出的热量相同时，由于砂石小，降温后，砂石的温度更低。根据热胀冷缩的原理，陆地的空气变冷收缩更明显，空气密度变大，空气向海面排挤过去，地面附近的空气向海面上运动，从而形成由陆地吹向海面的“陆风”。
例2：初春育秧时，傍晚时向田里注些水，白天天晴时再把水放掉，为什么？
【分析】注意强调夜晚放出相同热量，白天吸收相同热量。
解：初春的夜晚气温较低，向秧田里注些水后，相比没注入水情况，虽然放出的热量是相同，但由于水的比热容较大，水的温度降低后，不会很低，使秧苗保持较高的温度，不致受冻；白天，由于同一个太阳辐射，相同时间内吸收的热量是相同的，把水放掉后，由于泥土的比热容较小，温度升高后，温度较高，利于使秧苗在较高的温度下发育成长。所以，育秧时，傍晚时向田里注些水，白天天晴时再把水放掉。
比热容的应用
在常见的物质中，水的比热容是最大的。所以，在生活中，经常要利用要水的比热容较大的特点。
比如，汽车发动机的冷却液是水。由于水的比热容较大，在质量和升高相同的温度的情况下，水能吸收更多的热量，冷却效果比油好。
又如，北方的房间里大多都有取暖器，如图12-3-6所示，取暖器的传热介质一般采用水。原因是水的比热容较大，在质量和降低相同温度的情况下，水能放出更多的热量，供暖效果比油好。
现在都市普遍存在“热岛效应”现象，所谓热岛效应，是指城市和路面大多是以砂石为主（砂石比热容比较小），再加高楼林立，空气流通不畅，所以，相比水域比较多的农村，城市的夏天温度更高的现象。
为了减弱热岛效应，城市里都会建造一些人工湖，如图12-3-7所示，这是为什么呢？
显然，人工湖能增大城市水域面积，水的比热容较大，在吸收相同的热量时，温度升高后，温度不会太高，从而起到减弱热岛效应的影响，调节气候的作用。
需要注意的是，人工湖降温的原理与在地面上洒水降温的原理是不一样的，洒水降温是利用地面上的水汽化吸热来使周围环境的温度降低。
有关比热容的计算
根据公式
我们可以变形为
其中，Q吸表示某物质在热传递过程中吸收的热量，C表示某物质的比热容，m表示某物体的质量，△t表示该物质温度的变化量。
如果要计算某物质在热传递过程放出的热量，则公式为
例题：10kg、初温为20℃的水，在一个标准大气压下温度升高到100℃时，请问水在此过程吸收的热量是多少？
解：
答：水在此过程吸收的热量是在常见的物质3.36×106J。
需要强调的是，通过上面的公式的变形，我们还可以用来求解热传递过程中温度的变化量△t，公式如下：
例题：10kg、初温为20℃的水，在一个标准大气压下吸收的热量为3.78×106J，水的温度升高到多少℃？
【分析】需要注意的是，在一个标准大气压下，此题的最高温度是100℃。如果求得的最终温度大于100℃，则需要将最终的温度设定为100℃。
解：
根据比热容求温差的公式，可得
则，末温t=90℃+20℃=110℃
因为一个标准大气压下最高温度是100℃，110℃>100℃
所以，最终的末温是100℃
答：水的温度升高到100℃。
有关燃烧效率的计算
现在我们有了求解物质吸收热量的公式，也有了求解燃料完全燃烧时放出热量的公式，因此，我们现在可以来学习计算解燃烧效率的大小。
什么是燃烧效率？
某种燃烧放出的热量并不能完全被有效利用，所以，物理学上，将被有效吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值称为燃烧效率，用百分数表示，公式如下：
我们用一个例题来了解燃烧效率的求解。
例题：完全燃烧210g汽油，放出的热量是多少？若放出的热量用来加热水，使20kg的水的温度从30℃升至55℃，求汽油的燃烧效率是多少？（汽油的热值q=4.6×107J)
【分析】建议写一下已知，求出汽油的质量210g换算成0.21kg,温度变化△t=55℃-30℃=25℃。
已知：m汽=210g=0.21kg △t=55℃-30℃=25℃
解：
汽油完全燃烧放出的热量
水吸收的热量
则燃烧效率
答：汽油的燃烧效率是46%。
【本节学到的内容】
1、如何比较不同物体的吸热能力
（1）吸收相同的热量，比较物体升高的温度，物体升高的温度更多的，吸热能力弱；
（2）升高相同的温度，比较吸收热量的多少，物体吸收热量多的，吸热能力强。
2、什么比热容
物理学上规定，某种物质吸收的热量与质量、温度的变化量的比值，叫做这种物质的比热容，用符号c表示。
3、比热容与什么因素有关
比热容与物质的种类，状态等内在因素有关，而与吸收或放出的热量的多少无关，与质量无关，与温度的变化量等外在因素无关。
4、比热容的图像如何分析
比热容越大的物质，对应的比热容坐标中的直线的倾斜程度将更平缓；代表比热容越小的物质，对应的比热容坐标中的直线的倾斜程度将更陡峭。
5、如何运用控制变量法来描述与比热容有关的现象
首先要说明“哪些因素是相同的”，再来说明“当某物质比热容是大或小时，温度会如何变化”，最后说明“出现什么现象”。
6、某物质吸收热量的公式
7、什么是燃烧效率
物理学上，将被有效吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值称为燃烧效率。
【自我检测与巩固】
1、水常用来调节气温、取暖、作制冷剂、散热剂，是因为________________________。
2、有甲、乙两个物体，它们质量之比是3:1，吸收热量之比是2:1，升高的温度之比是5:3，则它们的比热之比是________。
3、用两个相同的加热器，分别对质量相等的甲、乙两种液体加热，其温度随时间变化的图象如图所示，由图象可以看出（ ）
A．开始加热时，甲和乙的比热容为零
B．甲的比热容比乙小
C．甲和乙的比热容相同
D．甲的比热容比乙大
4、水的比热容比其他物质都大，下列现象中不是利用水的这一特性的是（ ）
A.用水作为发动机的冷却液
B.夏天在地上洒水纳凉
C.冬天在窑中放桶水，可防止储存的蔬菜冻坏
D.供暖系统用循环热水来供给暖气
5、完全燃烧210g汽油，放出的热量50%被水吸收，温度从30℃升至80℃，求水的质量是多少？
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