熱能(thermal energy)在熱力學上,是存在於热力学系统(或物體)內部能量的一種形式,是其处于“热平衡”时的“热力学能”。热能的宏觀表現,為该系统或物体的溫度;微观上来看,热能是由于其构成原子或分子无序运动而产生的能量,也是其以显热潜热的形式所表现的能量。

一個物體的熱能和其整體的運動狀態(即物體的位置與速度)無關,僅和物體的內部狀態有關,因此我們有時也稱熱能為內能。

熱能這個概念在物理或熱力學方面沒有明確定義,因為內部能量可以在不改變溫度的情況下進行改變,而無法區分系統內部能量的哪一部分是“熱”。熱能有時被鬆散地用作更嚴格的熱力學量(例如系統的(整個)內部能量)的同義詞;或用於定義為能量轉移類型的熱或顯熱(正如作(work)是另一種類型的能量轉移)。熱量和取決於能量轉移發生的方式。

傳播编辑

熱是一種能量的表現方式,所以熱的傳播就是熱能的轉移。並由高溫向低溫流動。轉移方式有三種:

  1. 傳導,是一个分子向另一个分子传递通过振动传递能量的传热方式。傳導速率因介質的比熱和狀態有關而異,同介質固體>液體>氣體。固體、液體、氣體皆可呈現。
  2. 對流,是流体内部分子运动所导致的传热方式
  3. 輻射,是以波或次原子粒子传递的方式

熱功當量编辑

功與能量的單位是焦耳,熱量的單位是,1卡就是讓1公克的水從14.5 °C 升至15.5°C所需的熱量。英國人焦耳在1837~1847年間,以一連串的實驗證實了熱量與功之間可以互相轉換,並定出了它們單位之間換算的 比值。

定义式编辑

热水中一个粒子的热能是:

 

其中f是指自由度,T指温度,K为波尔兹曼常数。例如,在理想气体中的一个粒子有三个自由度,因此,

 

总热能为在系统中所有粒子的热能总和。因此,对于一个有N个粒子的系统,

 

请注意,Uthermal只是总系统能量的一部分,一些能量不随温度而改变,如势能键能不变质量(E=mc2)。

與熱量和內能的關係编辑

熱量是自發地從較熱的系統或物體傳遞的能量。熱量是轉移的能量,而不是系統的性质,或者“包含”在系統的邊界內。另一方面,內能是系統的性质。在理想氣體中,內能是氣體粒子的動能的統計學平均值,作為動力學運動是動力源,也是导致跨越系統邊界的熱量傳遞的原因。在這個意義上,理想氣體的內能可以被認為是“熱能”。然而,在這種情況下,熱能和內能是相同的。

比理想氣體更複雜的系統(如真實氣體)可能會發生相變。相變可以改變系統的內能而不改變其溫度。因此,熱能不能僅由溫度來定義。熱能也不能通過內能和系統內外的淨熱傳遞之間的差異來定義,因為它很容易構建系統開始和結束於完全相同狀態的熱力循環,但是有一個淨循環過程中進出熱量。這些循環可以在相當小的發電機上引起,從而產生轉子以旋轉和發電。這被稱為發電。

由於這些原因,系統的熱能概念不明確,不用於熱力學。

歷史背景编辑

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule)在1847年題為“物質,生命力和熱力”的演講中,描述了與熱能和熱量密切相關的各種術語。他將“潛熱”和“明熱”這兩個術語分別定義為各種不同的物理現象,即分別是潛在和動能。他將潛在能量描述為在給定的顆粒構型(即潛在能量的形式)中的相互作用的能量,以及由於熱能而由溫度計測量的能量影響溫度的顯熱,他稱之為活力。

参考文献编辑

参见条目编辑