比热容(specific heat capacity)把传给材料的能量与它的质量和温度变化联系起来:Q = m × c × Δθ。只要题目对一定量的水、金属或其他材料加热或冷却,并要求求能量、质量、温度变化或 c,IGCSE 物理就会用到它。
难点很少在代数,而在于同时使用 kg、J 和 °C,不要与克、千焦或最终温度混在一起。
这个公式怎样一步步使用?
Q 是传递的能量,单位焦耳(J);m 是质量,单位千克(kg);c 是比热容,单位 J/kg °C;Δθ 是温度变化,单位 °C。
- 列出已知量,每个都写上单位。
- 立刻换算单位:克换成千克,千焦换成焦,涉及功率时把分钟换成秒。
- 用减法求温度变化:Δθ = 最终温度 − 起始温度。
- 需要时变形:Δθ = Q ÷ (m × c),m = Q ÷ (c × Δθ),或 c = Q ÷ (m × Δθ)。
- 计算后检查数量级:这个答案对该材料和该能量来说合理吗?
一个好习惯是先算出 m × c。它是这个物体每变化 1 °C 所需的能量,能让后面的步骤简单很多。
例题
一锅 1.2 kg 的水从 18 °C 加热到 38 °C。(示例数据为虚构)水的比热容是 4200 J/kg °C。水获得多少能量?
步骤 1,列出已知量: m = 1.2 kg,c = 4200 J/kg °C,起始 18 °C,最终 38 °C。
步骤 2,单位: 质量已经是 kg。
步骤 3,温度变化: Δθ = 38 − 18 = 20 °C。
步骤 4,计算: Q = 1.2 × 4200 × 20。先算 1.2 × 4200 = 5040 J/°C,再算 5040 × 20 = 100 800 J。
步骤 5,答案: Q = 100 800 J,约 101 kJ。
反向检查:100 800 ÷ (1.2 × 4200) = 100 800 ÷ 5040 = 20 °C,回到原来的温度变化。
要留意的错误
常见的失误是直接使用题目给的克作为质量。
错误答案: Q = 1200 × 4200 × 20 = 100 800 000 J
学生把 1200 g 直接代进需要 kg 的公式,答案正好大了 1000 倍。
纠正方法是一开始就换算:1200 g = 1.2 kg。快速的数量级检查也能发现问题:一锅水升温 20 °C 不需要一亿焦耳。
自我检测
每个答案都要写单位。
1. 把 2.0 kg 的水从 25 °C 加热到 35 °C,需要多少能量?(c = 4200 J/kg °C)
查看答案
Δθ = 35 − 25 = 10 °C。Q = 2.0 × 4200 × 10 = 84 000 J(84 kJ)。
2. 一块 250 g 的铝块(c = 900 J/kg °C)吸收 18 000 J。它的温度上升多少?
查看答案
m = 250 g = 0.250 kg。m × c = 0.250 × 900 = 225 J/°C。Δθ = 18 000 ÷ 225 = 80 °C。
3. 一块 0.40 kg 的金属升温 15 °C 需要 12 kJ。求它的比热容。
查看答案
12 kJ = 12 000 J。c = Q ÷ (m × Δθ) = 12 000 ÷ (0.40 × 15) = 12 000 ÷ 6.0 = 2000 J/kg °C。
接下来学什么
公式熟练之后,继续学习 解读能量与温度图像的斜率,它从图像中读出同一个关系。整个专题在 热量计算练习集 中汇总。
有些学生每一步都跟得上,但当较长的题目混合几个量时,仍会在单位上出错。我们的老师正是在 物理一对一线上补习 中留意这种模式。