水的比熱為什麼這麼大？

01-07

常見物質中有沒有比水的比熱更大的？不常見物質中有沒有比水的比熱更大的？僅次於水的比熱第二大的常見物質是什麼？

首先，給出比熱容的定義：比熱容是單位質量（注意：不是單位體積哦）升高一攝氏度吸收的熱量。通俗一點來說就是加熱1公斤的物體升高1攝氏度吸收的熱量。比熱容還分為定壓比熱容和定容比熱容，在壓力恆定條件下的比熱容叫定壓比熱容，在容積恆定條件下的比熱容叫定容比熱容。在大氣壓力下我們一般講的就是定壓比熱容啦！

水比熱容大的原因：

1水含有很強的氫鍵。與水同類的無機物大概有氟化氫和氨氣。氟化氫的氫鍵比水強，但由於分子量比水略大和線性分子締合的原因，比熱容比水略低；液氨氫鍵比水弱。所以常見的無機物里水的比熱容算是很高的。

2.水是3原子組成的分子，比一般物質具有更高的運動自由度。我們知道，像惰性氣體那樣球對稱的單原子分子，有3個自由度（平動x,y,z）；像氟化氫、氮氣、氧氣這樣的雙原子分子或者像CO2這樣軸對稱軸對稱（糖葫蘆）結構的3原子分子，有5個自由度（x,y,z 3個平動+2個轉動）；而不是軸對稱結構的3原子分子的多了一個自由度，因此是6個自由度，水就有6個自由度。由於溫度不高，就不討論振動自由度了。

由於溫度是分子平動動能大小的度量，我們說的溫度相等就是平動動能相等，轉動的動能不能算在溫度裡頭。例如，6個自由度的水分子要吸收6份熱量才轉化其中的3份（平動動能x,y,z 3個自由度）變成溫度，而5個自由度的氟化氫分子只需要5份的熱量就能轉化其中的3份變成溫度，3個自由度的氬氣吸收的3份熱量全部轉化成溫度。

3 釋放自由度的過程會吸熱。上面第2點討論的是自由粒子狀態下的水分子。其實我們常見的液體狀態的水都是聚成一團團的（超分子），相互之間都緊挨著，所以平均每個水分子的自由度遠遠達不到6個自由度，假設有2個自由度就不錯了。

在水的加熱過程中，水分子活動能力增強了，聚成團的水慢慢解離出來，越來越多的水分子獲得更大的自由，可以到處跑了。原來平均每個水分子只能吸收的2份熱量，而且都變成溫度升高了；而解離出來的每一個水分子平均能吸收5份熱量，而且最多只有3份才轉變成溫度，比熱容就高啦！！我們舉個相反的例子，比如食鹽這種離子晶體，雖然離子鍵作用力很強，但是原子都被束縛住不能移動，只能在原來的位置振動，平均每個粒子的自由度很低，或許小於1吧，相當於吸收1份熱量就全部轉化成溫度。自由度不能釋放，所以比熱容不高。

至於@徐余顓認為釋放自由度的過程相當於相變，上面的表述確實太寬泛。我們在這裡認為水的解離是大的水超分子解離成小的水超分子。比如對超分子 $left( H_{2} O ight) _{n}$ ，假設 $n=10^{15}$ 變成小的超分子 $n=10^{5}$ ，這時的水依然保持液態，沒有沸騰。在這裡說明一下水的解離過程相當於氫鍵斷裂吸收能量。

4.水的分子量小。既然是比熱容，比就是單位質量的意思。所以除了討論能量，還要討論質量啦。氫氣的比熱容比水高，其實也是有道理的。氫氣有5個自由度，只比水少1個，但是氫氣的分子量是水的1/9，幾乎相差一個量級。可以看出，分子量的影響也是巨大的。很多小分子量的物質比熱容都很高。

說起比熱容最高的常見物質，當然不是水啦。但是，要綜合考慮質量和體積的因素，水是儲熱的非常好的選擇！氫氣液化和儲存都太困難，想想隨處可得的水，誰都不想搞得那麼危險和麻煩嘛。至於氣態的物質，雖然比熱容高，但幾公斤氣體就要佔據一個房間那麼大體積，更是難以接受。所以，水是儲熱的非常好的選擇。從火電站、核電站等大型電站到你在抱著的暖手寶，水都是儲熱的第一選擇！

給出一些常見物質的比熱容，數據來自百度百科，已根據比熱容大小進行排序。單位是J/kg/℃

感謝@徐余顓的意見，對一開始表述不妥當的地方進行修改，希望表達得更準確一點。

鍾少奮的回答在一定程度上點出了水比熱容大的分析著手點，但是鑒於其部分解釋的表述存在問題，且對於「水」這一H2O特殊狀態的理解偏頗的地方所以有必要加以指出以免造成誤解。

首先，少奮給出的解釋：

「1 水含有很強的氫鍵。與水同類的無機物大概有氟化氫和氨氣。氟化氫的氫鍵比水強，但不常見；氨氣常見但氫鍵比水弱。所以常見的無機物里水的比熱容算是很高的。」

這個解釋本身沒有問題，而且指出了解釋的關鍵——水有很強的氫鍵。但是由於擴展到了HF，所以就有必要提一下，這個「但不常見」實在是讓人頗為費解的表述。什麼叫「不常見」，也許少奮想表述的是HF因為只有一個氫，所以形成氫鍵的機會比H2O少的多。可以試想，如果要通過氫鍵形成一個分子量超過1000的超分子，那麼HF只能有一個線性的超分子存在，儘管HF氫鍵很強，但是這個概率遠小於有兩個H的水了。所以水中實際存在的氫鍵數目是遠超過HF的。

隨後少奮在第二點中給出了能量均分原理，並在3點說明了2隻適用於氣體狀態下的水。但事實上，水就不可能是氣態的。。。這只是開個玩笑，請不要介意。。。事實上該能量均分原理本身是有道理的，只是一般大學所教授的「三個平動，2-3個轉動，3n-6或3n-5個振動」這樣的淺顯的理論只適用於分子間完全沒有相互作用的理想氣體。而且其實對於水蒸氣，這一淺顯的原理也只在很高溫度下才能近似適用。儘管如此，少奮將該理論的提出也是有意義的，因為這一理論的來源是溫度的成因，即分子的運動能量。分子動能越大，其內能越高，溫度也越高。而且可以一定程度上予以推廣，使我們通過假設更加了解水熱容的秘密。

對於H2O來說，它已經達到了無振動自由度情況下的自由度上限6，因此在理想氣體情況下屬於氣體中熱容最大的群體（雖然這個情況根本不可能實現:-P）但是呢，我們討論的是水，而在水中水的存在形式主要是（H2O）n這樣的超分子。這樣的超分子在水中是非常自由的，擁有6個自由度，而且還能通過氫鍵的斷開和重連獲得遠超過6的自由度。因為這一超分子運動方式非常眾多，所以這一部分運動方式的貢獻同樣對水的比熱有著很大的貢獻。

至於「由於溫度是分子平動動能大小的度量，我們說的溫度相等就是平動動能相等，轉動的動能不能算在溫度裡頭。例如，6個自由度的水要吸收6份熱量才轉化其中的3份（平動動能x,y,z 3個自由度）變成溫度，而5個自由度的氟化氫只需要5份的熱量就能轉化其中的3份變成溫度，3個自由度的氬氣吸收的3份熱量全部轉化成溫度。所以，雖然氟化氫氫鍵比水強，但比熱容還是比不上水。「

這段解釋實在讓我不能苟同，對於運動自由度的凍結直接通過理想氣體的能量均分原理就可以知道，凡是凍結的自由度都不貢獻熱容，低溫下的振動自由度就是一個典型的例子，但這裡卻說「6個自由度的水要吸收6份熱量才轉化其中的3份」，實在是有點偷換概念的嫌疑。

至於「

3 釋放自由度的過程會吸熱。上面第2點討論的是氣體狀態下的水。其實我們常見的液體狀態的水都是聚成一團團的，相互之間都緊挨著，所以遠遠達不到6個自由度，假設有2個自由度就不錯了。在水的加熱過程中，水分子活動能力增強了，聚成團的水慢慢解離出來，越來越多的水分子獲得更大的自由，可以到處跑了。原來吸收的2份熱量全部轉化成溫度，而現在吸收6份熱量才轉化3份變成溫度，比熱容就高啦！！我們舉個相反的例子，比如食鹽這種離子晶體，雖然離子鍵作用力很強，但是原子都被束縛住不能移動，只能在原來的位置振動，自由度很低，或許小於1吧，相當於吸收的熱量全部轉化成溫度。自由度不能釋放，所以比熱容不高。」

這顯然是根據上一段解釋來的，當然還是有問題的。舉個例子，理想氣體振動自由度的釋放，這屬於二級相變，二級相變不吸熱，但是會改變熱容的連續性，所以第一句總結嚴格來說就是錯誤的。真正在這裡吸熱的是相變。對，沒有說錯，但是這個相變更應該從微觀角度來看，而且本身水就是多種物質組成的單相，所以宏觀表現出的水的熱力學性質無論是一階量還是二階量都是近似連續的。因為水中的H2O實際存在形式是（H2O）n這樣的聚合體。隨著溫度的升高，這些大聚合體會逐步解離氫鍵，並變成相對較小的聚合體，直到其沸點附近。因為這一多級相變的原因，水的比熱就相對而言顯得比相似的NH3、HF等要大一些。如果有興趣，看官們可以找一張H2O的詳細相圖看看，這樣就會發現水是一個多麼神奇的東西，難怪要讓它成為我們體液的主要成分了。

當然少奮的最後一點是非常正確的，而且這其實才是水從眾多常見物質中脫穎而出的真正原因。什麼H2、He比熱大也是一樣的道理。

作為知乎的第一帖，就寫這麼多吧，歡迎挑刺與辯論。

數值來自百度百科

水也不過4200，並沒有大到很鬼畜啊，（雖然原子序數80那邊的重金屬都是100多）

氫氣H2有14000多哦，氦氣He也有5000多，鋰有3500

要說常見物質的話，冰是水的一半

乙醇，汽油，比冰還稍微大一點。這樣看來常見物質第二名應該差不多是乙醇了。

氫鍵是一部分原因。

（拋磚引玉）

如果水分子之間沒有氫鍵，水的比熱不夠大，則地球的氣候會有很大改變，氣溫變化會很大，無法適應動物生存。

氫鍵是一個原因，能量能存在裡面，所以升高一定的溫度所需要的能量比結構類似的物質大

氟化氫的比熱好像比水大吧？如果不是請摺疊

有些問題是不能問的，比如物質無限可分，那麼夸克分開是什麼，再分是什麼；比如能觀測到的宇宙邊際之外是什麼；比如大爆炸之前也就是時間起點之前是什麼。。。再比如水的比熱容為什麼那麼大……

請參考下圖並提問：

鴿子為什麼這麼大？

。。。。。。鴿子呢？鴿子呢？為什麼不能貼動圖！！！

密度，化學成分是氫二氧...原子質量就小啊！初中老師是這麼講的

不知道為啥第一反應是鴿子為什麼這麼大。。。

氫鍵

我來歪個樓

樓上從原理上說明了為什麼水的比熱容是「這麼大」，但我估計題主真正想問的是水的比熱容在常見物質中為什麼「這。。。。。。么大」，以至於很難找到常見的、比水比熱容大的物質。

那麼問題來了，為什麼水的比熱容比一般常見物質都要大呢？

同樣的問題還有很多，比如：為什麼地球到太陽的距離剛剛好適合生命的存在呢？

為什麼宇宙中的物理常數如此統一的「被調配」到一個適合我們存在的數值？

為什麼我媽媽生下來的剛好就是我呢？。。。。咳咳。。。這個扯遠了

所以簡單粗暴的回答是：如果水沒有具備一系列合適的性質（比如比熱足夠大但又不是特別大），不會有以水為主要組成的生命的存在

設想一下，如果水不是常見物質（比如空氣、岩石）中比熱最大的，以水為主要組成的生物不可避免的會過快的隨著環境溫度變化而變化。恆溫動物暫且不表，就算是變溫動物和微生物也有一定的最適溫度，超過或者低於這個溫度太多也是活不下來的，如果水不能很好的儲存和帶走熱量，就很難有大型生物的存在，沒有一定複雜度就很難有智能產生，也就沒有知乎了。

而且更重要的是如果水的比熱容再大點或者再小點，會（ying）直（gai）接（hui）影響到地球的大氣循環，然後......（我編不下去了）

也就是說，假設某個星球以液氨為「水」，那麼他們的知乎一定會問：

為什麼氨喝起來聞起來都是完全無味的啊？

以上

因為單位質量的水升高一攝氏度吸收的熱量多(有點che dan a )，還有就是水的分子結構，空間排列方式決定了，角分布，非線性分布

如果是線性分布的話，估計比熱容會很小，相當現在的一半？我猜的

我認為水的諸多性態是被設計或定義的。在另一個時空下水可能完全不是這樣。一切的運轉並不期待人類的理解。人類的解釋如此蒼白。