熱能的量度單位

1-1. 將0.5 kg質量的一塊鋼料加熱至800℃，投入15℃1千克的水中，問水的溫度上升了幾度（鋼的比熱= 450焦耳/千克℃）？ H = (450)(0.5)(800 - y) (鋼料放出的熱量). = 180000 ... 熱能及其傳播 HeatTransfer   物體的溫度升高，需要能量，該物體的能量也隨即增大，這些能量會從高溫的物體流向低溫的物體。

  熱能的量度單位   熱能的量度單位有卡路里(Calorie)、焦耳(Joule)和英熱單位(Btu)。

三者的換算如下表所示：     Calorie Joule Btu Calorie 1 4.186 0.003968 Joule 0.2341 1 0.00098 Btu 252 1055 1 　 　 焦耳的定義  一個焦耳的熱量可以使1仟克質量的純水升高度攝氏；或1仟克的純水上升1℃需要4200焦耳的熱量。

  熱量（Quantity ofHeat）   一個物體獲得或放出熱能多少，或能夠傳遞熱能多少的量，叫做熱量。

  質量、溫度、物質種類和熱量的關係   同一物質，溫度相同時，則物質的質量大，所能傳遞的熱量也愈多。

　 　 物質質量相同時，溫度升得愈高，它所需要的熱量也愈多。

  不同的物質，質量相同時，每升高溫度1℃，所需的熱量是不同的。

    結論： 某一種物質所能放出或獲得的熱量之多少，和溫度、質量、物質的種類都有關係。

　 電能轉化為熱能 現代城市普遍使用電能轉化為熱能供生活需要，例如電熱水壺、電飯煲、電熱沐浴熱水器、電熱烤爐、等等。

各種電器都注記輸入功率為若干kW；所有電熱器具會把所有輸入電能轉化為熱能，功率為 1kW的電熱器具每秒鐘提供1kJ的熱能作加熱用途。

  習題1： 1-1   某牌號的電熱水壺的容量是1.7公升，功率為1.7kW，問這電器在通電後每秒鐘可以產生多少焦耳的熱能？   1-2   某牌號的電熱火鍋的功率是1.45kW，問這電器在通電後每分鐘可以產生多少焦耳的熱能？   1-3   某牌號的電熱烤爐的功率是3.25kW，問這電器在通電後每小時可以產生多少焦耳的熱能？ 　 熱容量（Thermal Capacity） 物體每升高1℃所需的熱量稱為是物質的熱容量。

不同物質有不同的熱容量。

  單位：    焦耳/℃，J/℃   比熱（Specific HeatCapacity） 使質量為1仟克的物質，溫度升高1℃或1K所需的熱量，稱為該物體的比熱。

  單位：    焦耳/仟克℃，J/kg℃   比熱的計算公式： m=物體的質量(仟克) (kg) t1= 物體的初溫(℃) t2= 物體吸熱後的溫度(℃) H=需要的熱量(J) (焦耳) S=物體之比熱 (J/kg℃)   比熱：    S=(J/kg℃) 　 常見物質的比熱（unit：J/kg℃）   固體 比熱 液體 比熱 氣體 比熱 冰 2100 水 4200 空氣 1006 玻璃 700 海水 3900     橡膠 1700 水銀 140     石蠟 2900 酒精 2500     石塊 900 乙醚 2400     鐵 470 松節油 1760     鋼 450 甘油 2436     銅 390 石蠟油 2186     黃銅 380 硫酸 1390     銀 240         鋁 920         鋅 380         鎳 460         白金 130         鉛 130         　 例1:   有一件物體，它的質量為2kg，需要192千焦耳之熱量才能將它的溫度從20℃上升至420℃，求該物體之比熱。

  m=2kg H=192千焦耳= 192000J t1= 20℃（初溫度） t2= 420℃（末溫度）  t2- t1（溫度差）=420℃-20℃=400℃   比熱    =     S=            =            = 240J/kg℃   答：該物體之比熱是240J/kg℃（銀） 　 例2:   質量為5 kg的鋼件需要進行熱處理，先把它加熱到600℃，然後再使它逐漸冷卻到20℃，問鋼件在冷郤過程中向外放熱多少焦耳？已知鋼的比熱S=450J/kg℃。

  m=5kg S=450J/kg℃ t1= 600℃ t2= 20℃   溫度差 =t2-t1=(20-600)℃=-580℃   熱量    =比熱×質量×溫度差            = 450×5×(-580)            = -1305000焦耳（負號表示鋼件放熱）   答：鋼件在冷郤過程中放出之熱量是1305千焦耳 　 　 　 　 　 　 　 　 混合量熱原理   物體散失熱量 混合後物體吸收熱量。

  例1:   質量為0.1千克，比熱為378 J/kg°C的量熱器，盛有20℃的水，比熱為4200J/kg°C，水的質量是0.2千克，將質量是0.1 kg溫度是100℃的金屬塊投入熱量器內，測得混合後穩定溫度是24℃，求金屬的比熱。

  混合後的溫度 t=24℃ 冷物體吸收的熱量 =m1S1(t-t1)+m2S2(t- t1) 熱物體放出之熱量 =m3S3(t2-t)          ∴m3S3(t2 -t)=m1S1(t-t1)+m2S2(t -t1) (0.1)S3 (100-24)=(0.1)(378)(24-20)+(0.2)(4200)(24-20)                S3  =                    =462J/kg℃   金屬塊之比熱是462焦耳/千克℃ 　 溫習1: 1-1. 將0.5 kg質量的一塊鋼料加熱至800℃，投入15℃1千克的水中，問水的溫度上升了幾度（鋼的比熱=450焦耳/千克℃）？      H= (450)(0.5)(800-y)                       (鋼料放出的熱量)        =180000 -225y    H= (4200)(1)(y-15)                          (水的吸收熱量)      180000- 225y =4200y-(4200)(15)       (放出熱量=吸收熱量)          4425y =243000             y  =54.9℃    ∴ 水的溫度上升了39.9℃   1-2.  將50克0℃的水加熱至80℃，共需熱量若干焦耳。

     S =    H=(4200)()(80-0)        =16800 J   1-3.  40℃的水20千克和100℃的水6千克，混合在一起設無任何熱量的散失，求它們混合後的穩定溫度。

     (4200)(20)(y -40)   =(4200)(6)(100-y)          20y- 800  =600-6y               26y=1400                 y   =53.8℃ 　 1-4.     一比熱為400J/kg°C的銅塊0.04 kg熱至200℃時放入一質量為0.06kg的銅量熱器內，量熱器盛10℃的水0.05kg（水的比熱為4200J/kg°C）。

設無熱量的散失，求混合溫度。

         銅塊失熱= 量熱器吸熱+水吸熱      m1S1(200 -t)  =0.06×400(t-10)+0.05×4200(t-10)    0.04× 400(200-t)  =24t-240+210t-2100          3200 -16t =234t-2340               5540 =250t                  t=22.16℃       1-5.     一質量為0.1 kg的金屬塊，熱至100℃時投入一質量為0.3kg的銅量熱器中，量熱器內盛0.15 kg，溫度為12℃的油，若混合後的穩定溫度為20℃。

設金屬塊及量熱器的比熱分別為380及400J/kg°C，求油的比熱。

  0.1×380(100- 20) =0.3×400(20-12)+0.15×S(20-12)             3040 =960+1.2S             1.2S  =2080                S=1733.3J/kg°C 　 熔解和凝固   物質從固態變成液態的過程叫做熔解。

從液態變成固態的過程叫做凝固。

熔解時之溫度稱為熔點（melting point）。

凝固時之溫度稱為凝固點（solidifyingpoint）。

  熱不但能使物體之溫度及體積發生變化，且能改變物質之狀態，許多物質都能以三態存在。

         固態---> 液體 --->氣體   熔解熱和凝固熱   液態和固態物質的這種內能的變化，傳遞而出現了在熔解和凝固時，溫度不變的情況，引出一個潛熱（specificlatentheat）的概念。

  單位質量的固體，在熔點時，熔解為同溫度的液體，所需要的熱量，叫做熔解熱（heatoffusion）。

  單位質量的液體在凝固點時，凝固為同溫度的固體，所放出的熱量叫做凝固熱（heatofsolidification）。

　 熔解潛熱（Latent heatoffusion）   冰熔化成水時，要吸收潛熱。

每kg冰需要叫收336000J便可以變成同溫度的水，同樣1kg0℃的水凝結成0℃的冰時，也放出同量的熱能，這些熱能稱為冰的潛熱。

  冰潛熱 =336000J/kg   幾種物質的熔解熱（KJ/Kg）   物質 熔解潛熱 物質 熔解潛熱 黃磷 21 鉑 113 鉛 26 鈉 116 錫 59 銻 164 金 67 銅 176 鑄鐵 97 鎢 193 銀 105 鐵 277 鋁 388 冰 336 氧 14 鎂 3024 　 習題2：   2-1   把一千克的水從20℃加熱至80℃，問共吸熱幾多焦耳？   2-2   同一物質的「蒸發潛熱」和「熔化潛熱」比較，那一個大？   2-3   相同質量的水蒸汽凝結成水放出的熱量多、還是水變成蒸汽需要的熱量多？   2-4   用吸熱方法把20℃的水製成0℃的冰塊，每件冰塊重五公斤，問造一件冰塊要吸熱幾多焦耳？   2-5   把1公升溫度為90℃的水加入冰塊，最後的混合物的溫度是40℃，問加入的冰塊重幾多克？ 　 熱的傳播   熱能可以通過三種方式傳播，即「傳導」、「對流」、「輻射」。

  傳導   金屬是優良的傳熱媒介，把金屬如銅、鋁或鐵的棒的一端加熱，很快便在另一端感受到熱力。

因為熱經過金屬棒傳到較冷的另一端，這種現象稱為「傳導」。

　 最佳的傳熱媒介是銀，其次是銅、鋁等金屬，塑膠、植物纖維(棉、麻等)的傳熱能力都很低。

氣體如氧、氮、氫、空氣(氮氧混合物)的傳熱能力更低。

發泡膠(foamed plastic)是許多細小塑膠氣泡構成，氣泡內面是氣體，所以傳熱能力比較同厚度的塑膠低。

「棉被」和「鶴絨被」能夠保暖主要是纖維之間有薄的空氣存在，其保暖效果比結實的毛氈更佳。

　 對流   在流體—水、空氣等的底部加熱，受熱的部分體積增大，變得較輕而向上流動，較冷的部分向下沉。

熱量因而從熱的部份移至冷的部份，這種現象稱為「對流」。

對流現象存在於地球的海洋、湖泊和大氣層。

用火焰把水壺內的水加熱，主要是由於有水的對流作用才比較迅速把水溫提升。

通常流體需要有大的體積，對流現象才會顯著。

  輻射   熱的物體，把能量用「量子」的形式向四周發放，這種能量傳遞的方向在真空仍然進行，這種現象稱為「輻射」。

太陽令地球溫度增加是太陽的能量向地球輻射的結果。

輻射遇到物質，會被物質吸收，但該物質亦同時發出輻射，吸收多於發出時能量便積聚在該物質，其中一個結果是該物質的溫度升高。

　 習題3： 　 3-1   一杯熱水在桌上逐漸冷卻，水的熱量怎樣經過傳導、對流和輻射散走？   3-2   為什麼熱的食物放在桌上會漸漸冷卻，試舉出一個方法把食物的冷卻減緩。

  3-3   為什麼相同重量和相同面積的「鶴絨被」比毛氈溫暖？   3-4   兩種電熱水壺同樣具有2.2kW的功率和容水量，一種是水在不銹鋼套內並接受套外的電阻加熱，另一種使用浸入水中電熱器加熱，問兩者把水燒至沸騰的時間是否一樣？如答案為“否”，問何種較快沸騰？   3-5   根據房間的空氣容量及冷氣機的製冷能力，計算得把「空房間」降低10℃的時間是20分鐘；但是實際測試時，在日間測試得到的時間是26分鐘，在晚間測試得到的時間卻是22分鐘，為何有這些差別？