晶格振動與聲子
熱容
把一把金屬勺和一杯水一起放進同一個熱烤箱裡一分鐘,勺子會燙得嚇人,水卻幾乎沒暖起來。水對改變自己的溫度很頑固;勺子則很快就服了軟。熱容就是對這種頑固程度的度量:要讓某樣東西的溫度升高一度,你必須灌進去多少能量。
當你給固體加熱時,能量都用來讓它的原子振動得更厲害——化作更多的晶格振動、更多的聲子。一種熱容高的材料,有許多種吸收能量的途徑,所以在溫度爬升很多之前,已經灌進去不少。在日常溫度下,大多數固體共享著一個相近的簡單數值,但隨著它們變冷,量子規則把高能量的振動一個接一個地關掉,熱容便隨之下降,一路掉到絕對零度時的零。
從烹飪到氣候再到發動機設計,熱容無處不重要,而在歷史上,它在低溫下那古怪的行為,是「能量以量子小包出現」的一條關鍵線索。一個常見的混淆:熱容不等於溫度,也不等於儲存的熱。它是灌進去的能量與得到的度數之間的「兌換率」——多少燃料能換來一度。
一座沿海小鎮氣候溫和,內陸的沙漠卻在炙熱的白晝和冰冷的夜晚之間劇烈擺盪。原因在於海水那巨大的熱容:它白天吸進太陽的能量,夜裡又緩緩放出,自身溫度幾乎不變,溫柔地穩住了周圍的空氣。
水的高熱容,正是海邊溫和、沙漠極端的原因。
當心兩個相近的親戚:「熱容」針對整個物體,而「比熱」是按每克或每個原子算的。海洋那巨大的熱穩定性,既來自水高的比熱,也來自它龐大的質量。
又稱
另見