比热容是使一千克物质温度升高一度所需的热量。水的比热容很高,约为沙子的五倍,所以同样的阳光把沙子晒热的速度远快于海水。
下午的海滩上,沙子烫脚而海水仍然清凉,尽管两者接受的阳光相近。到了夜晚,沙子迅速降温、摸起来发凉,而储存了大量热的海水却相对温暖。
这正是马来西亚许多沿海城镇能感到海风的原因:白天陆地升温更快,其上方的暖空气上升,较凉的空气便从海上流入。水的大比热容也使它成为汽车引擎的良好冷却剂。
在 SPM 中,你应把比热容与“给定热量下材料温度改变的快慢”联系起来。
常见误解
- 水升温慢是因为它比沙子重 -> 关键在于每千克的高比热容,而不仅仅是质量。
- 一旦被加热,水和沙保存热量的能力就一样了 -> 每升高一度水储存的热更多,所以降温时放热更慢。
- 比热容和热量是同一个量 -> 比热容是材料的性质;热量是传给它的能量。
背后的物理
改变物质温度所需的热量由 Q = mcθ 给出,其中 Q 是以焦耳(J)为单位的热能,m 是以千克(kg)为单位的质量,c 是以 J kg⁻¹ °C⁻¹ 为单位的比热容,θ 是以 °C 为单位的温度变化。比热容就是使一千克该物质升高一度所需的能量。
水的比热容异常地大,c = 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹。要把 3 kg 水升高 6 °C,需要 Q = mcθ = 3 kg × 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹ × 6 °C = 75600 J。
干沙的 c 只有约 800 J kg⁻¹ °C⁻¹,所以同样的 75600 J 若加到 3 kg 沙上,会使它升温 θ = Q/(mc) = 75600 J ÷(3 kg × 800 J kg⁻¹ °C⁻¹)≈ 31.5 °C。
在热量和质量相同的情况下,c 较高的物质升温少得多。正是这一个数值,解释了为什么一大团水会顽固地抗拒自身温度的改变。
在日常生活中看它
留意一间铺着金属(锌)屋顶、旁边放着塑料水箱的房子,在炎热的午后。几分钟内,薄薄的金属屋顶就烫得不能碰,而水箱里的水却几乎感觉不到变暖。
两者晒的是同一个太阳,但比热容低的金属温度飙升,而 c 极高的水几乎纹丝不动。
同样的性质也对你有利:一瓶泡饮料用的热水,因为水每升高一度都储存大量能量,它会缓慢地释放这些能量,保温好几个小时。一个大水箱也起着缓冲作用,把正午的酷热与较凉的夜晚之间的起伏抹平。
所以海就像一个巨大的水箱。它那大量、高比热容的水,只用很小的温升就吸收了白天的热,天黑后再缓缓放出,使沿海的空气比远离海岸的内陆更温和。
在 SPM 中怎么考
在卷二中,这个题目常用定义(define)、解释(explain)、关联(relate)和求解(solve)等指令词来考查。你可能被要求定义比热容、解释为什么水升温慢,或用 Q = mcθ 根据实验数据计算热量、质量、温度变化或 c。
在同一个热章节里,它与热平衡相邻,两个接触的物体通过传热直到流动达到平衡,从而达到相同温度。它也引出比潜热,用来处理熔化和沸腾的能量,那时温度保持不变而不是升高。
一个常见任务是解读用浸入式加热器进行的加热实验:读温度-时间图,并全程带正确单位地运用 Q = mcθ。清楚写出代入这一行,c 带上单位 J kg⁻¹ °C⁻¹,最终答案以焦耳给出。
让每个量都带着单位,正是使你的计算站得住脚的关键。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)