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热能

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热能(英语:Thermal energy)在热力学中是能量的一种形式,指存在于系统中的内部能量,宏观表现为物体的温度。 一个物体的热能和其整体的运动状态(即物体的位置与速度)无关,仅和物体的内部状态有关,因此我们有时也称热能为内能。热能这个概念在物理或热力学方面没有明确定义,因为内部能量可以在不改变温度的情况下进行改变,而无法区分系统内部能量的哪一部分是“热”。热能有时被松散地用作更严格的热力学量(例如系统的(整个)内部能量)的同义词;或用于定义为能量转移类型的热或显热(正如作(work)是另一种类型的能量转移)。热量和取决于能量转移发生的方式。

传播[编辑]

热是一种能量的表现方式,所以热的传播就是热能的转移。并由高温向低温流动。转移方式有三种:

  1. 传导,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。传导速率因介质的比热和状态有关而异,同介质固体>液体>气体。固体、液体、气体皆可呈现。
  2. 对流,是流体内部分子运动所导致的传热方式
  3. 辐射,是以波或亚原子粒子传递的方式

热功当量[编辑]

功与能量的单位是焦耳,热量的单位是,1卡就是让1公克的水从14.5 °C 升至15.5°C所需的热量。英国人焦耳在1837~1847年间,以一连串的实验证实了热量与功之间可以互相转换,并定出了它们单位之间换算的 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)。

与热量和内部能量的关系[编辑]

热能是自发地从较热的系统或物体传递的能量。热能是转移的能量,而不是系统的性质;它不是在系统的边界内“包含”。另一方面,内在能量是系统的财产。在理想的气体中,内部能量是气体粒子的动能的统计学平均值,作为动力学运动是动力源,也是跨越系统边界的热量传递的影响。在这个意义上,理想气体的内部能量可以被认为是“热能”。然而,在这种情况下,热能和内部能量是相同的。

比理想气体(如真实气体)更复杂的系统可能会发生相变。相变可以改变系统的内部能量而不改变其温度。因此,热能不能仅由温度来定义。热能也不能通过内部能量和系统内外的净热传递之间的差异来定义,因为它很容易构建系统开始和结束于完全相同状态的热力循环,但是有一个净循环过程中进出热量。这些循环可以在相当小的发电机上引起,从而产生转子以旋转和发电。这被称为发电。

由于这些原因,系统的热能概念不明确,不用于热力学。

历史背景[编辑]

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule)在1847年题为“物质,生命力和热力”的演讲中,描述了与热能和热量密切相关的各种术语。他将“潜热”和“明热”这两个术语分别定义为各种不同的物理现象,即分别是潜在和动能。他将潜在能量描述为在给定的颗粒构型(即潜在能量的形式)中的相互作用的能量,以及由于热能而由温度计测量的能量影响温度的显热,他称之为活力。

参考文献[编辑]

参见条目[编辑]