什麼是熱平衡?
當兩個溫度不同的物體或物質,在隔熱(絕熱)系統中彼此接觸時,熱量會由溫度較高的一方流向較低的一方,直到雙方達到同一個共同溫度為止,這個溫度就稱為熱平衡溫度。本計算器可依據每種物質的質量、比熱與初始溫度,求出最終的平衡溫度——這正是物理與化學熱量學中的經典題型。
如何使用本計算器
請分別輸入兩種物質的質量、比熱容與初始溫度。記得單位要一致:若質量以公克(g)為單位,比熱就要用 J/g·°C(水約為 4.186 J/g·°C)。計算結果會顯示平衡溫度,並列出每種物質的熱容量,以及它所吸收或放出的熱量(Q)。Q 為負值代表該物質放出熱量(降溫);Q 為正值則代表它吸收熱量(升溫)。
公式解析
根據能量守恆定律,高溫物質放出的熱量必須等於低溫物質吸收的熱量:\(m_1 c_1 (T_f - T_1) + m_2 c_2 (T_f - T_2) = 0\)。解出 \(T_f\),可得到以熱容量為權重的兩溫度加權平均值:
$$T_{final} = \frac{m_1 c_1 T_1 + m_2 c_2 T_2}{m_1 c_1 + m_2 c_2}$$其中乘積 \(m \cdot c\) 就是熱容量——數值越大,最終溫度就越會被拉向該物質的初始溫度。
實例演算
將 200 g、80 °C 的水,與 300 g、20 °C 的水混合(兩者 c = 4.186 J/g·°C)。兩者的熱容量分別為 837.2 與 1255.8 J/°C。$$T_{final} = \frac{837.2 \times 80 + 1255.8 \times 20}{837.2 + 1255.8} = \frac{66976 + 25116}{2093} = \frac{92092}{2093} \approx 44\ ^\circ\text{C}$$
常見問題
這個計算是否假設沒有熱量損失?是的——它模擬的是完美隔熱的系統,假設沒有任何熱量流失到周遭環境或容器中。
可以使用克耳文(Kelvin)嗎?可以。由於公式本質上是加權平均,只要兩個溫度使用相同單位,算出的最終溫度就會以你輸入的溫度單位呈現。
如果兩種物質不一樣怎麼辦?只要分別輸入各自的比熱即可——例如把金屬(銅的 c ≈ 0.385)丟入水中,計算方式完全相同。