3-1
溫度與熱
3-1-1
熱平衡與溫度計
◎
測溫性質
氣體熱膨脹實驗
◎
溫標
溫標的演變
溫度計
3-1-2
熱量與比熱
◎
物體的吸熱與放熱
◎
水的比熱較多數物質大
◎
海洋性氣候
◎
什麼是水當量
把冷水倒入熱鍋中一段時間後，水的溫度上升，而鍋子的溫度下降，這期間水和鍋子的內部發生了什麼變化呢？
早在熱能的觀念建立以前，科學家就已經知道了測量熱量的方法。熱量通用的單位是卡
(calorie，簡寫為cal
)
卡的定義：使l克的純水，由溫度14.5"C上升至15.5"C之所需之熱量。
能量的SI單位：由於熱是能量的一種，在1948年SI單位將其定為焦耳(Joule)(1
牛頓-米)，
依此新定義
1卡=4.186焦耳
在食品營養學上仍留用千卡(Cal或kcal，俗稱大卡)為單位， 1千卡=1000卡
英制的熱量單位為BTU，lBTU約等於252cal，它是把1磅純水的溫度由63℉升高至64℉，每升高1℉所需之熱。一般冷氣機中所標示的BTU數，是代表每1小時冷氣機將熱量排除到室外的熱量值。
物體發生溫度或相的變化時，必有熱量之吸入或放出，故熱量之量度可從這兩個方向著手。我們先來研究物體溫度變化之熱量，相變時之熱量留待後面再介紹。
物體的吸熱與放熱：
穩定的熱源在單位時間內所放出的熱有一定量值，所以用這種熱源對物體加熱，加熱時間可代表熱能的改變量。
熱容量：經由實測發現熱能的改變量與溫度變化量成正比，這個比值稱為熱容量(heat
capacity)，其意義為：物體每升高(或降低)溫度1℃所吸收(或放出)之熱量，故熱容量之單位為
卡/克(cal/g)。
比熱：若以1克質量來表示熱容量時，我們稱之為比熱(specific heat)，也就是1克物質的溫度每增減1℃時，吸入或放出的熱量，其單位為卡/克-度 (cal/g-℃)。
由以上之關係可得
物質種類不相同其比熱不同，同種物質在不同溫度範圍內其比熱也會有些微差異。
如水的比熱在
0℃時為1.007cal/g-℃，
14.5℃時為1.000cal/g-℃，
100℃時為1.007cal/g-℃。
|
室溫下常見物質之比熱 單位cal/g-℃ |
|||||
|
物質 |
比熱 |
物質 |
比熱 |
物質 |
比熱 |
|
鉛 |
0.0305 |
鋁 |
0.215 |
水銀 |
0.033 |
|
銀 |
0.0564 |
玻璃 |
0.20 |
酒精 |
0.582 |
|
銅 |
0.0923 |
冰( 0℃) |
0.50 |
海水 |
0.93 |
|
鐵 |
0.108 |
水蒸氣 |
0.49 |
水 |
1.00 |
從表中可知，水的比熱較多數物質大。所以它是很好又方便的冷卻劑。
水的比熱較多數物質大：
比熱較大的物質，表示其加熱時需要吸收較多的熱量，才能升溫；反之，冷卻時也必須釋放出較多的熱量，才能降溫。因此在同樣條件下，水在加熱升溫或冷卻降溫的過程中，比一般物質要緩慢得多。
暖水袋或冰水袋如果不裝水，而改裝其他比熱較小的液體，其保暖或保冷的
效果必然降低。
汽車引擎的冷卻系統，以水作為散熱的媒介物質，就是利用水的化性穩定且具有比熱大的特性，利用少量水的循環，即可將引擎所生的廢熱帶走，避免引擎溫度過高。
另外，發電廠常建在海邊或湖邊，也是因為可以利用水來冷卻發電機發電後所產生的大量餘熱。水這種不易熱、不易冷的特性，使得地球氣候可常保溫和；而人體中也因為有大量水分，使得人可以在外界溫度急遽變化的環境下，仍保持適當的體溫。
海洋性氣候：
砂石的比熱約為0.1∼0.2cal／g℃，比水小得多。因此白天時，在太陽的曝曬下，沙灘比海水熱得快，炙熱的沙灘和沁涼的海水，形成了明顯的對比；入夜後，沙灘也比海水冷得快。砂石和水在比熱上的差異，是造成內陸地區的晝夜溫差較沿海地區大的原因。
水的比熱大和透明度高，陽光可射入海面下深處，使海洋可以比陸地儲存更多的太陽能，海洋溫度的變化也比陸地小許多，因此海洋具有調解氣候的功能。沿海地帶比起內陸地區，不但在冬天時，顯得較溫暖，而且在夏天時，也不會太熱。
例題3-2：
將水500公克由20℃升高到40℃，需加熱若干?
1×104cal
例題3-3：
一鍋爐每秒可供熱50,000卡，對一長、寬各為50、25公尺，池內水深為1.6公尺的游泳池加熱，若不計熱量散失，欲使整個水池的水溫升高1℃，至少需耗時多久？
40,000秒≒11.1小時
例題3-4：（金屬比熱的測量）
保利綸杯內的冷水質量為300克，其初溫為室溫20℃。浸入沸水中的金屬塊質量為200克，即其初溫為100℃，當金屬塊放入冷水後，水溫上升至30℃，則此金屬塊比熱為何？
0.214cal／g℃
想想看：
一杯水和一塊鐵吸收相同熱量時，水的溫度變化一定比較小嗎？