這個計算器的用途
「混合終溫計算器」可算出兩種不同溫度的物質接觸並達到熱平衡時的最終溫度——例如在隔熱容器中將熱水與冷水混合。它的原理來自量熱學:在一個孤立系統裡,較熱物質所放出的熱量,恰好等於較冷物質所吸收的熱量,因此整個系統最終會穩定在同一個共同溫度。
公式解析
每種物質所儲存的熱能,與它的質量(m)、比熱(c)以及溫度(T)成正比。將吸收的總熱量等於放出的總熱量,再解出最終溫度,可得:
$$T_f = \frac{m_1 c_1 T_1 + m_2 c_2 T_2}{m_1 c_1 + m_2 c_2}$$
其中 \(m \cdot c\) 的乘積即為每種物質的熱容。最終溫度其實就是兩個初始溫度依熱容加權後的平均值。各物質所傳遞的熱量則為 \(Q = mc(T_f - T_i)\);若 \(Q\) 為負值,代表該物質是放出熱量的一方。
使用方法
分別輸入兩種物質的質量(公克)、比熱(J/g·°C)與初始溫度(°C),即可讀取熱平衡溫度。水的比熱約為 4.18 J/g·°C。請務必讓兩種物質使用一致的單位。
範例演算
將 100 g、20 °C 的水與 100 g、80 °C 的水混合(兩者 \(c\) 皆為 4.18)。$$T_f = \frac{100 \cdot 4.18 \cdot 20 + 100 \cdot 4.18 \cdot 80}{100 \cdot 4.18 + 100 \cdot 4.18} = \frac{8360 + 33440}{836} = 50\ \text{°C}$$正如預期,相同液體、相同質量混合時,終溫會落在兩個起始溫度的正中間。
常見問題
計算時是否考慮散失到環境的熱量?沒有。本計算器假設系統完全隔熱(孤立系統),也就是量熱學中的理想狀況。
可以用公斤取代公克嗎?可以,只要兩個質量使用相同單位,且比熱的單位也彼此對應即可,因為質量單位會在計算中互相抵消。
為什麼其中一種物質的 Q 是負值?\(Q\) 為負值代表該物質放出熱量(溫度下降),而另一種物質則吸收了等量的熱量。