初中物理竞赛教程基础篇第16讲 比热容.docx
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初中物理竞赛教程基础篇第16讲比热容
第16讲比热容
16.1学习提要
16.1.1燃料的热值
1.热值的概念
燃料燃烧时能放出热量,相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不一样。
1千克某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值,用字母q表示。
2.热值的定义
热值的定义式为q=Q/m
3.热值的单位
在国际单位制中,热值的单位是焦/千克(J/Kg),读作“焦每千克”。
16.1.2比热容
1.比热容的概念
比热容简称比热,用字母c表示,是物质的特性之一,每种物质都有自己的比热容。
比热容是指单位质量的某种物质,温度升高(或降低)1℃吸收(或者放出)的热量。
2.比热容的定义式
比热容的定义式为c=Q/m△t
3.比热容的单位
比热容的单位是一个组合单位,在国际单位制中,比热容的单位是焦/(千克.℃),读作“焦每千克摄氏度”。
4.比热容的测定
比热容是物质的特性之一,在许多热学问题上都要用到,所以测定物质的比热容很重要。
在热传递过程中,如果没有热量的损失,那么低温物体吸收的热量应该等于高温物体放出的热量。
(1)实验原理:
热平衡方程式Q吸=Q放
(2)实验方法:
实验室一般采用混合法来测定物质的比热容。
(3)实验器材:
量热器、天平、温度计、待测金属块、适量的常温下的水和沸水。
(4)实验步骤:
①用天平分别测量小桶、搅动器、适量的常温下的水、待测金属块的质量;
②将金属块放入沸水(100℃)中加热一段时间;
③在量热器小筒内装入适量的常温下的水,并用温度计测出水的温度t1;
④将金属块从沸水中取出,投入量热器的小筒内,合上盖子,用搅拌器上下搅动,直到量热器中温度达到稳定为止。
⑤用温度计测出混合温度t2.
(5)实验结果:
设量热器和搅拌器是由比热容为c的同种物质做成,总质量为m;适量的常温下的水质量为m水,比热容为c水;待测金属块的质量为m金,比热容为c金。
由于量热器、搅拌器、常温下的水的初温均为t1,待测金属块的初温为t2=100℃,混合后温度为t2。
由热平衡方程式Q吸=Q放。
可得
cm(t1-t2)+c水m水(t2-t1)=c金m金(t0-t2)
c金=[(cm+c水m水)(t2-t1)]/[m金(t0-t2)]
16.2难点释疑
16.2.1温度和热量
温度表示物体的冷热程度。
不论物体处于哪一种状态,总有某一个确定的温度。
物体在热传递过程中温度会发生变化,物体从外界吸收热量,其温度一般会上升;物体向外界放出热量,其温度一般会下降。
当吸收热量和放出热量的过程结束后,物体的温度仍然有一个确定的值。
热量是物体在热传递过程中,吸收或放出热的多少。
一个物体有某一个确定的温度值,并不能说一个物体就具有多少热量。
所以不能说温度高的物体热量大,也不能说同一温度质量大的物体热量大。
热量的多少只有在热传递过程中才具有意义。
说的明确一点,热量只有在物体的温度发生变化或内能发生变化时才具有意义。
物体的温度是某一个确定的值,对应于物体处于某一种状态。
物体吸收(或者放出)的热量是某一个确定的值,对应于物体一定的温度变化(或物态变化)。
在热传度过程中,物体吸收热量,温度会升高;放出热量,温度会降低,它反映了物体的两个不同的状态之间的一个变化过程。
16.2.2量热器的使用
量热器是热学实验的重要仪器。
在测定物质的比热容等实验中,它能使物体与水之间进行热交换,又能减少热量损失。
其结构如图16-1所示,其中A、B为大小两铜质圆筒,C为木架,D为木(或电木)盖,盖上有两个孔,中间较大的一个孔(附软木塞)插温度计用,边上较小的一个孔插铜质搅拌器。
在用量热器测定物质(如铅块)的比热容时,应注意:
①装入小筒内的水要适量,以能浸没金属块为宜;②金属块从沸水中取出到投入小筒内,动作要快,投入后要立即合上盖子,尽可能减小热损失,且投入的金属块不得带有沸水;③用搅拌器上下搅动,使液体的上下温度迅速均匀;④初温和混合温度的读取方法,已在“温度计的使用”中有过说明;⑤小筒和搅动器、水、金属块的质量用天平测量。
粗略的测量比热容时,可忽略小筒和搅动器的吸热和放热,稍精确的测量则不能忽略。
16.3例题解析
16.3.1比热容概念的形成
例1为研究物质的某种特性,某同学选取水、煤油两种物质做实验,表16-1记录了实验测得的数据及设法求得的有关数据。
请根据表16-1中所提供的数据进行分析:
(1)可初步归纳出的结论是________________;
(2)为进一步研究物质的特性,该同学还应设计和增加表16-1中第7列(空栏)项目的名称是__________________________,请在该空栏下的空格中填入适当的数据,并由此可归纳出的结论是__________________,在物理学中如果要用一个物理量来反应第7列中概括出物质的特性,那么这个物理量的定义为_______________________。
【解析】
(1)对表16-1中的数据进行仔细分析可知,在这个实验中,所运用的研究方法是控制变量法。
分析比较第1行与第2行(或第4行与第5行)的数据可以发现,实验所控制的变量分别为物质的种类和质量,研究吸收的热量跟升高的温度之间的关系。
水或煤油的质量相等,当升高的温度增大到2倍,它吸收的热量也增大到2倍,由此可以得出结论1:
质量相等的同种物质,吸收的热量跟它升高的温度成正比。
分析比较第2行与第3行(或第5行与第6行)的数据可以发现,实验控制的变量分别是物质的种类和升高的温度,研究吸收的热量跟质量之间的关系。
水或煤油升高的温度相同,当质量增大到2倍,它吸收的热量也增大到2倍。
由此可以得出结论2:
升到温度相同的同种物质,吸收的热量跟它的质量成正比。
分析比较第1行与第4行(或第2行与第5行、第3行与第6行)的数据可以发现,实验所控制的变量分别为质量和升高的温度,研究吸收热量跟物质种类之间的关系。
质量相同的水或煤油,升高的温度也相同,然而吸收的热量不同。
由此可以得出结论3:
质量相等,升高温度相同的不同物质,吸收的热量多少跟物质的种类有关。
(2)再对表16-1中的数据进行分析,发现第1行与第6行的数据中,质量、升高的温度、物质的种类都不相同,那么,如何来比较这两次水和煤油的吸热本领呢?
显然,可以与密度、压强等概念形成过程所采用的方法想类比,选择一个比较的标准,这个标准为:
单位质量、温度升高1℃吸热的多少。
因此,表16-1中第7列(空栏)项目的名称是:
单位质量、温度升高1℃吸收的热量。
通过计算可知,第7列的数据分别是4.2*103J/(Kg.℃)、4.2*103J/(Kg.℃)、4.2*103J/(Kg.℃)、2.1*103J/(Kg.℃)、2.1*103J/(Kg.℃)、2.1*103J/(Kg.℃)。
分析这一列数据,可得出结论:
对于确定的物质来说(如水或煤油),物质吸收的热量跟它的质量、升高的温度之比是一个确定的值。
它跟吸收热量、质量、升高的温度均无关,而对于不同物质,这个比值却是不同的。
在物理学中如果要用一个物理量来反应物质的这种特性(吸热是本领),这个物理量的定义应为:
单位质量的某种物质,温度升高1℃吸收的热量。
16.3.2用热量计算公式解题
例2有甲乙两个温度和质量都相同的金属球,先把甲放入盛有热水的杯中,热平衡后水温降低了11℃,把甲球取出,再把乙球放入杯中,热平衡后,水温又降低了11℃,则两球比热容的大小关系是()
Ac甲>c乙
Bc甲=c乙
Cc甲 D无法判断 【【解析】同一杯热水,两次降低相同的温度,说明水两次放出的热量相同,即甲乙两球吸收的热量相同,由于两球质量相等,初温相同,末温甲球较高,即△t甲>△t乙,根据c甲m甲△t甲=c乙m乙△t乙,有c甲 【答案】C 16.3.3用热平衡方程解题 例3将11℃的冷水鱼66℃的热水混合成550kg,36℃的温水,在混合过程中有2.31*106J的热量损失掉了,问所用冷水和热水各多少千克? 【点拨】当高温物体和低温物体放在一起时,高温物体放热,低温物体吸热,由能量守恒可知Q吸+Q损=Q放 上式称为热平衡方程式,在热量的计算中有着极其重要的作用。 【解析】因Q吸+Q损=Q放,则c水m1*25℃+Q损=c水m2*30℃,而m1+m2=550kg,由以上两式即可求得: m1=290kg,m2=260kg 【答案】冷水的质量为290kg,热水的质量为260kg。 例4将一勺温水倒入盛有冷水的量热器中,这时量热器中水的温度升高了5℃,再加以勺同样的温水,温度又上升了3℃。 问: (1)继续再加7勺同样的温水,则此量热器中水温还将上升多少? (2)如果不断向量热器内加同样的温水,量热器中的温水最终比开始时升高多少? (假设量热器容积比勺的容积大得多且不计热量损失) 【点拨】把再加一勺同样的温水,温度又上升了3℃理解为“连加两勺同样的水,温度上升了8℃” 【解答】 (1)设每勺水的质量为m,温度为t,冷水的质量为m冷,温度为t冷。 由于不计热量损失,热平衡方程Q吸=Q放,可得: C水m冷*5℃=C水m(t-t冷-5℃) C水m冷*8℃=C水2m(t-t冷-8℃) 解得: t-t冷=20℃,即温水与冷水的温度相差20℃。 若继续加7勺同样的温水,相当于共加了9勺温水,则 C水m冷△t=9m(t-t冷-△t) 可得: △t=15℃,则△t’=△t-8℃=7℃ (2)不断向量热器内加同样的温水,由于温水与冷水的温度差为20℃,则最终量热器中的水温度将升高20℃。 【答案】7℃,20℃ A卷 1.用两只相同的玻璃杯,装上质量和温度都相同的水和黄沙,将它们同时放在阳光下晒,经过一段时间后,黄沙的温度比水的温度高。 在这个小实验中,用两只相同的透明玻璃杯同时放在阳光下晒相同的时间,是为了使黄沙和水吸收_________________(忽略水和黄沙在热传递方面的差异)。 从这个实验可知,相同质量的不同物质________________________________________。 由此引入了表示物质的这一方面特性的物理量_______________,其符号是______________,单位是______________,读作______________________。 2.水的比热容是4.2×103J/(kg·℃),意义是______________________________。 在常见物质中,水的比热容较________(选填“大”或“小”)。 3.物体在热传递过程中吸收的热量,与物质的比热容、物体的质量以及物体_____有关。 4.质量相等的煤油和水,吸收相等的热量、温度升高得多的是煤油,这是因为_______。 由此推理,质量相等的煤油和水,若升高相等的温度,煤油吸收的热量___________水吸收的热量(选填“大于”、“等于”或“小于”)。 5.把质量和温度都相同的铁球、铝球和铜球同时投入沸腾的水中,一段时间后,三球的温度变化___________(选填“相同”或“不相同”)。 其中吸收热量最多的是_________球,吸收热量最少的是_____________球。 (已知c铝>c铁>c铜) 6.上海市重大公共绿地建设工程之一的太平桥绿地已于2001年6月8日竣工。 绿地中的人工湖具有“吸热”功能,炎夏时它能大大降低周边地区的热岛效应。 若人工湖湖水的质量为1.0×107kg,水温升高2℃,则湖水吸收的热量为_____________J。 (已知c水=4.2×103J/(kg·℃)) 7.表16-2为某同学根据中央电视台《天气预报》栏目记录的上海和兰州两地某年5月3日到5月5日三天内每日气温的最高值和最低值。 从表16-2中可以看出____________现象
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