熱能
此條目沒有列出任何參考或來源。 (2021年2月2日) |
熱能(英語:thermal energy)在熱力學上,是存在於熱力學系統(或物體)內能的一種形式,是其處於「熱平衡」時的「熱力學能」。熱能的宏觀表現,為該系統或物體的溫度;微觀上來看,熱能是由於其構成原子或分子無序運動而產生的能量,也是其以顯熱或潛熱的形式所表現的能量。
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(正如作功(work)是另一種類型的能量轉移)。熱量和功取決於能量轉移發生的方式。
傳播
[編輯]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:
- 傳導,是一個分子向另一個分子傳遞通過振動傳遞能量的傳熱方式。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。
- 對流,是流體內部分子運動所導致的傳熱方式
- 輻射,是以波或次原子粒子傳遞的方式
熱功當量
[編輯]功與能量的單位是焦耳,熱量的單位是卡,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。
定義式
[編輯]熱水中一個粒子的熱能是:
其中f是指自由度,T指溫度,K為波爾茲曼常數。例如,在理想氣體中的一個粒子有三個自由度,因此,
總熱能為在系統中所有粒子的熱能總和。因此,對於一個有N個粒子的系統,
請注意,Uthermal只是總系統能量的一部分,一些能量不隨溫度而改變,如位能、鍵能或不變質量(E=mc2)。
與熱量和內能的關係
[編輯]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,而不是系統的性質,或者「包含」在系統的邊界內。另一方面,內能是系統的性質。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,也是導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
[編輯]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)中的交互作用的能量,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。