熱量公式 Q = mcΔT 是什麼?
當物體吸收或放出熱量,溫度就會改變。熱量的多少,由三個因素決定:物體的質量、材料的比熱,以及溫度變化量。三者相乘就是這段溫度變化所需要的熱量,公式寫成 。其中 Q 是熱量,m 是質量,c 是比熱,ΔT 是溫度差(末溫減初溫)。這是台灣國中理化「熱與溫度」單元的核心公式,段考與會考都常考。
把這條式子移項,就能得到上面計算機的四個模式,已知其中三個量就能求第四個:
- 求熱量:
- 求質量:
- 求比熱:
- 求溫差:
比熱是什麼?水的比熱為什麼特別
比熱是「讓 1 公克物質升高 1°C 所需要的熱量」。比熱越大,代表這個物質越難加熱、也難冷卻,需要吸收較多熱量才會升溫。水的比熱在常見物質中相當大,。這也是為什麼海邊日夜溫差比內陸小,因為水吸熱與放熱都比較慢。金屬類(如鐵、銅)的比熱小很多,一下就熱、一下就涼。
單位要一致:卡對卡、焦耳對焦耳
熱量與比熱的單位必須配套。若熱量用卡(cal),比熱就要用 cal/g·°C;若熱量用焦耳(J),比熱就要用 J/g·°C。以水為例,卡制下比熱是 1,焦耳制下是 4.2。上面的計算機提供 cal 與 J 兩種切換,只是換掉欄位標示的單位,計算時仍以你填入的數字為準,不會自動幫你換算,請自行確認填入的比熱與所選單位相符。質量在國中通常用公克(g),溫度差用攝氏度(°C)。
ΔT 是溫度差,不是溫度本身
公式裡的 ΔT 指的是溫度變化量,也就是末溫減初溫,不是某一個溫度值。例如水從 20°C 加熱到 25°C,ΔT 是 5°C,不是 25。這一點初學最容易搞錯。至於用攝氏還是絕對溫度(K),因為兩者每一度的大小相同,計算「溫度差」時 5°C 的變化就等於 5 K 的變化,用攝氏差值代入即可,答案一樣。
常見易錯點
- 把溫度值當成 ΔT 代入。要用的是末溫減初溫的差,不是單一溫度。
- 單位混用。熱量用卡卻把比熱填 4.2(那是焦耳制),或反過來,會差 4.2 倍。
- 求質量、比熱或溫差時,分母出現 0。只要 c、ΔT、m 任一為 0,就會除以 0,這時計算無意義。
- 質量或比熱填成負數。質量與比熱都是正值,不會是負的。
- 忘記寫單位。熱量記得標 cal 或 J,比熱標 cal/g·°C 或 J/g·°C。
範例詳解
水的比熱 c = 1 cal/g·°C,ΔT = 30 − 20 = 10°C。代入 。也就是需要 2000 卡的熱量。若改用焦耳,比熱取 4.2,則 。
用 。比熱只有 0.2,比水小很多,代表它容易升溫,像是常見的金屬。
用 。水吸收 500 卡後升溫 5°C。
常見問題
ΔT 要用攝氏還是絕對溫度(K)?
算的是溫度差,用攝氏差值就好。因為攝氏與絕對溫度每一度的間隔相同,溫度差 5°C 等於 5 K,代入公式結果一樣。國中通常直接用攝氏的末溫減初溫。
比熱大代表什麼?
比熱大代表這個物質難加熱也難冷卻,需要吸收較多熱量才會升溫,散熱時放出的熱也多。水的比熱大,所以升溫慢、保溫久;金屬比熱小,一加熱就燙、離火就涼。
1 卡(cal)等於幾焦耳(J)?
1 卡約等於 4.2 焦耳(精確值約 4.184 J,國中通常取 4.2)。這也是為什麼水的比熱在卡制是 1、在焦耳制是 4.2。單位換算時,卡數乘以 4.2 就得到焦耳數。
為什麼求比熱或質量時分母不能是 0?
因為公式移項後會出現除法,例如比熱 c = Q ÷ (m×ΔT)。若溫差 ΔT 是 0,代表溫度沒有變化,分母為 0,除法無意義,也算不出比熱。所以求 m、c、ΔT 時,作為分母的量都不能是 0。
質量單位一定要用公克嗎?
國中的比熱多以「每公克」為準(cal/g·°C),所以質量用公克(g)最直接。若題目給公斤,先換成公克(1 kg = 1000 g)再代入,或使用每公斤的比熱,總之質量單位要和比熱裡的單位一致。
※ 本工具為學習輔助用途,計算方式依台灣國中理化課程常見教法設計。作業與考試請以老師教學與課本為準。