温度、热及内能
基础温度量度粒子平均动能，热是因温差而流动的能量，内能则是粒子动能与位能的总和；掌握三者分别，再用比热容量计算吸热放热，就能解释生活上的冷热现象。
- 温度是粒子随机运动平均动能的量度，常用单位是摄氏度
- 热是因温差由高温传往低温的能量；内能是粒子动能与位能的总和
- 质量、温度与物态都会影响内能的大小
文体小知识：科学知识说明文——讲解温度、热与内能三个概念的区别与关系，并引入比热容量作热量计算，是热学的第一课。
§课文原文 Passage
1热学是中四物理的起点。所有物质都由粒子组成，这些粒子不停随机运动：温度越高，粒子运动越快。因此物理学把温度定义为物件的冷热程度，更准确地说，温度反映粒子随机运动的平均动能。摄氏度是常用的温度单位，例如正常体温约为摄氏 37 度，水在标准大气压下于摄氏 100 度沸腾。
2热与温度不同。热是能量，指因为两件物件有温度差而由高温物件传往低温物件的能量，单位是焦耳。举个例子：把热汤匙放进冷水中，汤匙温度下降、水温上升，能量以热的形式由汤匙传往水；若两件物件温度相同，就不会有净热量流动。
3内能是系统内所有粒子的动能与位能的总和。粒子随机运动具有动能，粒子之间的互相作用力则带来位能。物体的质量、温度和物态都会影响内能：质量越大、温度越高，内能越大；物态改变时，粒子位能也会改变，内能随之变化。
4要计算吸收或放出的热量，就要用比热容量：使 1 千克物质上升 1 摄氏度所需的能量。水的比热容量是 4200 焦耳每千克每摄氏度，在常见物质中特别高，所以水升温慢、降温也慢，能够调节气候，也是冷却系统和暖水袋的理想材料。
5计算热量的公式是：热量等于质量乘比热容量乘温度变化。举个例子：把 2 千克水由摄氏 25 度加热至摄氏 45 度，温度上升了 20 度，需要的能量是 2 乘 4200 乘 20，即 168000 焦耳。下一课将会看看这些热量怎样从高温传往低温。
1重点摘要 Summary
温度量度粒子平均动能，热是因温差而流动的能量，内能则是粒子动能与位能的总和；掌握三者分别，再用比热容量计算吸热放热，就能解释生活上的冷热现象。
2生字卡 Vocabulary
物件冷热程度的量度，反映粒子随机运动的平均动能；常用单位是摄氏度。
因温度差而由高温物件传往低温物件的能量，单位是焦耳。
系统内所有粒子的动能与位能的总和。
使 1 千克物质上升 1 摄氏度所需的能量；水的数值为 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹。
使整件物件上升 1 摄氏度所需的能量，等于质量乘比热容量。
以标准大气压下水的冰点定为 0 度、沸点定为 100 度的温度单位。
粒子因运动而具有的能量；温度越高，粒子的平均动能越大。
粒子之间因互相作用力而具有的能量；物态改变时会跟随变化。
能量的国际单位，符号 J；热量以焦耳量度。
利用物质某种随温度改变的性质（如热胀冷缩）来量度温度的仪器。
3逐步讲解 Steps
- 第一步：一切由粒子说起热学的微观图像是理解本课的关键。所有物质都由无数粒子组成，这些粒子不停随机运动：固体中的粒子在固定位置附近振动，液体和气体中的粒子更可自由移动。温度就是粒子随机运动平均动能的量度——温度越高，粒子平均运动越快。举个例子：一杯热水的粒子，平均而言比一杯冷水的粒子运动得快，所以摸上手较暖。要留意温度描述的是「平均」动能，同一杯水中个别粒子的速率仍然有快有慢，这点在解释现象时十分重要。
- 第二步：温度与温度计温度无法单凭感官准确判断，需要借助温度计。温度计利用物质某些随温度改变的性质运作：水银和酒精温度计利用热胀冷缩，电子温度计利用电阻随温度的变化。摄氏度是本课常用的温度单位，以水的冰点定为 0 度、沸点定为 100 度作参考。举个例子：体温计量度感应物质某种随温度改变的性质，再换算成摄氏度显示；把温度计由冰水移到热水中，读数随之上升，正正反映感应物质的性质随温度变化。
- 第三步：热是流动的能量热与温度是两个不同的概念，考试经常要求清楚区分。热是能量传递的一种方式：当两件物件之间有温度差，能量就会由高温物件传往低温物件，这份传递中的能量就是热，单位是焦耳。举个例子：把热汤匙放进冷水，汤匙温度下降、水温上升，能量以热的形式由汤匙流向水；当两者温度相同，就不再有净热量流动。切记热只会自发由高温流向低温，我们不会说一件物件「含有多少热」，只会说它放出或吸收了多少热。
- 第四步：内能的两个组成部分内能是系统内所有粒子的动能与位能的总和，是描述物件「内里」能量多少的物理量。动能部分来自粒子的随机运动，与温度直接相关；位能部分来自粒子之间的互相作用力，与粒子间的距离和排列有关，因此与物态有关。质量、温度和物态三者都会影响内能。举个例子：一壶 2 千克的沸水比半壶同温度的沸水内能多，因为粒子数目多了一倍；而 100 摄氏度的水蒸气与 100 摄氏度的水比较，水蒸气的粒子位能较高，内能也较高。
- 第五步：比热容量的定义不同物质升高同样温度所需的能量并不相同，于是物理学引入比热容量 c：使 1 千克物质温度上升 1 摄氏度所需的能量，单位是 J kg⁻¹ °C⁻¹。水的比热容量是 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹，在常见物质中名列前茅。举个例子：把 1 千克水升高 1 摄氏度要 4200 焦耳，但把 1 千克金属升高 1 摄氏度通常只需几百焦耳，所以同时放在炉上的平底镬很快烫手，一镬水却要等一会才滚。水的高比热容量也令海洋能够调节沿海地区的气温。
- 第六步：用 Q = mcΔT 计算热量计算热量的公式是 Q = mcΔT：Q 是吸收或放出的热量（焦耳），m 是质量（千克），c 是比热容量（J kg⁻¹ °C⁻¹），ΔT 是温度变化（摄氏度）。代入数字时要确保单位一致，并留意 ΔT 是「变化」，即末温减初温。举个例子：把 40 千克水由 20 摄氏度加热至 40 摄氏度，ΔT 是 20 度，Q = 40 × 4200 × 20 = 3360000 焦耳，即 3.36 × 10⁶ 焦耳；若水由 40 度冷却至 20 度，放出的热量也是同一数值。
- 第七步：生活中的吸热与放热掌握 Q = mcΔT 之后，可以解释许多生活现象。水的高比热容量使它成为优良的冷却剂和保暖媒介：汽车引擎用水箱散热，暖水袋里装的是水而不是沙，都是因为同样质量下，水能吸收或放出更多热量而温度变化较小。举个例子：夏天到海边，白天沙滩升温比海水快，踩上沙感到烫脚而海水清凉；到了晚上，海水降温也慢，令沿岸地区温差较小。沿海城市气候较温和，正是水的高比热容量的功劳。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
例题：热水炉把 40 L 水（质量 40 kg）由 20°C 加热至 40°C。已知水的比热容量是 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹。求水吸收的热量，并以焦耳和 MJ 表示。（水的密度为 1000 kg m⁻³，故 1 L 水的质量为 1 kg。）
- 写出公式：Q = mcΔT，其中 m = 40 kg，c = 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹，ΔT = 40 − 20 = 20°C
- 代入数字：Q = 40 × 4200 × 20
- 计算：Q = 168000 × 20 = 3360000 J
- 换算单位：3360000 J = 3.36 × 10⁶ J = 3.36 MJ
- 答案：水吸收的热量 Q = mcΔT = 40 × 4200 × 20 = 3360000 J = 3.36 × 10⁶ J，即 3.36 MJ。答题时应列出公式、代入数字、计算结果，并写明单位，三步缺一不可。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1温度的微观意义是什么？
Q2热与内能有什么分别？
Q3计算：把 2 kg 水由 25°C 加热至 45°C，需要多少热量？
Q4为什么水常用作冷却剂？
Q5同质量的水和铁升高同样温度，哪个吸收较多热？为什么？
8重点回顾 Recap
- 温度是粒子随机运动平均动能的量度，常用单位是摄氏度
- 热是因温差由高温传往低温的能量；内能是粒子动能与位能的总和
- 质量、温度与物态都会影响内能的大小
- Q = mcΔT；水的比热容量 4200 J kg⁻¹ °C⁻¹，计算时单位要一致
- 水的高比热容量令它升温降温都慢，能调节气候并用作冷却剂