熱能

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在熱力學中,熱能(Thermal energy)是能量的一種形式,指存在於系統中的內部能量,宏觀表現為物體的溫度。 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。熱能是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(例如係統的(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(正如工作是另一種類型的能量轉移)。熱量和工作取決於能量轉移發生的方式,而內部能量是系統狀態的屬性,因此即使不知道能量到達那裡也是可以理解的。

熱能的轉移[編輯]

高溫物體若與低溫物體接觸,就有熱量從高溫物體流向低溫物體,使得高溫物體降溫,內能減少,而低溫物體升溫, 內能增加,因此所謂熱的傳遞即是熱能的轉移。

熱功當量[編輯]

1.功與能量的單位是焦耳,熱量的單位是。 PS:1卡就是讓1公克的水從14.5 °C 升至15.5°C所需的熱量。 2.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,如勢能鍵能不變質量(E=mc2)。

與熱量和內部能量的關係[編輯]

熱能是自發地從較熱的系統或身體傳遞的能量。熱能是轉移的能量,而不是系統的財產;它不是在系統的邊界內「包含」。另一方面,內在能量是系統的財產。在理想的氣體中,內部能量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,也是跨越系統邊界的熱量傳遞的影響。在這個意義上,理想氣體的內部能量可以被認為是「熱能」。然而,在這種情況下,熱能和內部能量是相同的。

比理想氣體(如真實氣體)更複雜的系統可能會發生相變。相變可以改變系統的內部能量而不改變其溫度。因此,熱能不能僅由溫度來定義。熱能也不能通過內部能量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。

參考文獻[編輯]

參見條目[編輯]