如何测定热量并优化热传递？

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：随着混合量热法和热平衡方程的建立，可测定热质传递的量，并能够计算出物体的热容和纯物质的比热容。而物体升高1℃所需的热量叫做该物体的热容，单位为cal·K-1。它主要有比热容、相变潜热、燃烧值等的测定。物质比热容的测定根据热平衡方程可以知道，一些系统放出热量的总和必等于其余系统吸收热量的总和，据此，就可以求得发出热量的物质的比热容。

热量是物体能量变化的一种量度，如温度低的物体受热则温度升高，温度高的物体散热则温度降低，这种物体在吸热或放热过程中所转移的热能的多少，就称为热量。在古代人们将热能的转移比拟为物质的流动，因而最早形成了热质说（任何物质系统都含有热质，而热质似乎是守恒的，因热质的流入而致物体温度升高，因热质的流出而致物体温度降低）。随着混合量热法和热平衡方程的建立，可测定热质传递的量，并能够计算出物体的热容和纯物质的比热容。为此，首先规定了热量的单位为卡（cal），并令1g水升高1℃时所需要的热量为1cal。而物体升高1℃所需的热量叫做该物体的热容，单位为cal·K^-1。对于纯物质，1g物质升高1℃所需的热量叫做该物质的比热容，单位为1cal·g^-1·K^-1。

直到焦耳证明外界对系统做功时在改变系统的状态上是和传热等效的，并测定出了热功当量。这时，人们才认识到和功一样，热也是传递着的能量，只不过它是由于系统间存在着温度差而引起能量传递的。从此也就使热量说破产了。而人们把只因存在温度差而产生的能量传递过程就叫做热传递，并通过改进，获得了精确的相关数值。

1.热量的测定

热量的测定是对物质系统中热传递能量的量度。它主要有比热容、相变潜热、燃烧值等的测定。

（1）物质比热容的测定

根据热平衡方程可以知道，一些系统放出热量的总和必等于其余系统吸收热量的总和，据此，就可以求得发出热量的物质的比热容。如铜质量热器内筒A及搅杆的质量为0.2kg，盛有0.4kg水，初温t₁＝5.0℃，此时将t₂＝100℃的0.5kg铅粒投入内筒并盖好上盖，再轻轻搅拌后，最终温度为t₃＝8.3℃，这时内筒和水吸收的热量应等于铅粒放出的热量，依据热平衡方程有

式中，m₁表示水的质量；m₂表示内筒及搅杆的质量；m₃表示铅粒的质量，如图1-4所示。如果c₁、c₂、c₃分别为水、铜、铅的比热容，且已知c₁＝4186J·kg^-1·K^-1，c₂＝390J·kg^-1·K^-1，此时，铅的比热容c₃为

（2）物质相变潜热的测定

物质相变潜热是指物质在只改变状态（如熔解或溶解、液化等），而不改变温度变化过程中所转移的热量。如0℃的冰变为0℃的水时需要吸收的热量，其溶解热可通过热平衡方程求得。如在图1-4中，在内筒放入0.10kg的水，初温t₁＝20.0℃，将0℃碎冰投入内筒，并轻轻搅拌，终温t₃＝5.6℃，再称内筒、搅杆及水的质量m′＝0.32kg，此时冰的溶解热L是

式中，m₃为未溶化前冰的质量，m₃＝m′-（m₁＋m₂）。

图1-4 铜质量热器及铅的比热容测定示意图

注：已知水的比热容c₁＝4186J·kg^-1·K^-1，铜的比热容c₂＝390J·kg^-1·K^-1。

（3）燃烧值的测定

在自然界中，物质燃烧时都会发出热量，在热学中，完全燃烧1kg燃料所放出的热量被称为燃烧值。利用图1-4所示的量热器，令一定量的燃料在其中燃烧就能够测定它的燃烧值。煤油燃烧值为11000kcal·kg^-1，汽油燃烧值为11500kcal·kg^-1，乙醇的燃烧值为6500kcal·kg^-1，烟煤的燃烧值为7800kcal·kg^-1，无烟煤的燃烧值为6500kcal·kg^-1，焦炭的燃烧值为8100kcal·kg^-1，木柴的燃烧值约为4000kcal·kg^-1。

2.热传递

热传递是固体或宏观静止的气体、液体的相互接触而进行热传导的特征，是测量热的首要条件。而热传递的方式有热传导、热对流和热辐射，并适应于不同的物质中。气体或液体部分间的相对运动往往使热传导与热对流同时进行。如用酒精灯加热装有冷水的玻璃试管的不同位置时，就反映了两种方式的热传递，如图1-5和图1-6所示。有关热传递的现象很多，这里因篇幅所限就不再多述。

图1-5 用酒精灯火焰加热试管中的水面处示意图

图1-6 用酒精灯火焰加热试管底部示意图

但实验证明：在一直棒中传导的热量Q是和棒的截面积S，棒中沿轴向的温度梯度Δt/Δx和传导的时间τ成正比，其数学表达式为

式中，Δt/Δx为截面积S处的温度梯度；K为物质的热导率W/（m·K）；负号表示热传导方向，即向温度降低的方向传递。

如何测定热量并优化热传递？

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