熱能

熱能（Thermal energy）指構成物質的分子或原子是以無規則的形式不斷運動的，由不相互碰撞的分子或原子的無序運動產生的能量稱為物質的熱能。溫度越高，原子和分子的運動就越劇烈，物質具有的熱能就越大。

從微觀角度來看，熱能是物體內部所有分子作無規則的熱運動的動能與分子內部原子振動的動能之和，即熱能=分子平動和轉動的動能+原子振動的動能。熱能和內能并不等同，只有對不計分子間的相互作用力和分子勢能的理想氣體，熱能和內能才等同。在溫度為

的理想氣體下熱能的變化：

式中

為氣體的質量，

為摩爾質量，則

為摩爾數，

為分子的能量自由度數，

為定容摩爾熱容量。

從宏觀角度來說，熱能的體現就是物體溫度的高低，熱能反映了組成物質的原子或者分子微觀運動的劇烈程度，運動的劇烈程度越強，物體所蘊含的熱能就越多，其溫度就越高。從宏觀分析，熱能和機械能在傳遞和轉換時，能量的總量必定守恒。這就是熱力學xxx定律的簡單表述，即

，其中

表示內能的變化量，

表示外界對系統所做的功，

表示系統從外界吸收的熱量，它建立了熱力過程中的能量平衡關系。

古希臘時代一直以來都有熱質說和熱動說兩種觀念，其中熱質說的代表性人物是布萊克、伽桑狄，認為熱是一種沒有重量的特殊流體物質，數量是守恒的，熱質粒子之間相互排斥，但卻受到普通物質粒子的吸引，而且不同的普通物質對熱流體的吸引力不同；另外一種是以培根、笛卡兒為代表的熱動說，認為熱是組成物質的微觀粒子運動的表現，它可由物體的機械運動轉化而來。

整個十八世紀，熱質說和熱動說這兩種觀念都存在。1798年，本杰明·湯普森（Benjamin Thompson）在英國皇家學會上發表了《關于用摩擦產熱的來源的調研》一文。1799年，漢弗里·戴維（Humphry Davy）做了著名的摩擦兩塊冰，可以融化為水的實驗。這個實驗質疑了熱作為一種物質的存在。但是當時這兩個實驗并沒有受到重視。直到十九世紀，1822年，法國數學家傅立葉（Jean Baptiste Joseph Fourier）出版了專著《熱的解析理論》用數學理論，從現象出發建立關于熱的普遍理論，集中解決了熱在非均勻加熱的固體中的分布傳播的問題。1824年卡諾發表了《談談火的動力和能發動這種動力的機器》這本書，卡諾在這部著作中提出了“卡諾熱機”和“卡諾循環”的概念及“卡諾定理”。卡諾定理涉及熱能和功的相互轉換問題，也涉及熱功當量、熱力學xxx定律及能量守恒與轉化的問題，還包含了熱力學第二定律的若干內容。這兩部著作都不同程度上以熱質說的觀點為基礎。熱力學第二定律建立以后，人們對熱運動的本質進行了研究，并在此基礎上提出了分子運動理論，這為微觀層面上的熱能研究奠定了基礎。

1847年，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）在一次演講中描述了與熱能和熱量相關的術語，他將熱的形式定義為顯熱（sensible heat）和潛熱（latent heat），它們分別影響粒子的動能和勢能，最終得出了熱和功可以按固定比例進行互換的這個結論，同年赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）也基于xxx運動不可能這樣的抽象思維得出了相同結論。1848年6月，開爾文發表了著名論文《在卡諾熱動力學理論基礎上和從雷諾的觀察進行計算的xxx溫標》一文，正式提出了xxx溫標。這種溫標主要用來作為物理判據的標準，它也可以作為實際溫度計的標準。1905到1908年間，愛因斯坦和佩蘭的研究工作之后，整個科學界才接受存在原子和分子的觀念。阿爾伯特·愛因斯坦對布朗運動的解釋進一步證實了分子運動理論，并用微觀領域的觀點解釋了宏觀現象，讓熱能的微觀和宏觀角度互通。1954年，國際計量大會規定水的三相點的溫度為273.16K，這樣定出的熱力學溫度的單位K（開爾文），這個溫度就是水的三相點的熱力學溫度。

物體內所有分子做無規則運動的分子動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。任何一個物體都是處于一定的狀態中，以氣體為例，氣體狀態主要用壓強、體積和溫度這三個狀態參量表示當蒸汽機氣缸中被壓縮的水蒸汽的壓強大于外部壓強時可以推動活塞對外做功。在做功的過程中其狀態發生變化，這說明處于一定狀態的水蒸汽具有做功的本領，即具有能量，這顯然不是機械能而是另一種形式的能，是由物體內部的狀態決定的能，我們稱其為內能。物體內能的大小與物體的種類、質量、溫度、狀態等多種因素有關， 內能大的物體溫度不一定高， 內能小的物體溫度不一定低若內能大的物體的溫度低于內能小的物體，這兩個物體相接觸時， 熱量只能從內能小的物體自動傳給內能大的物體。從分子運動論觀點看，熱能的本質是物體內部所有分子動能之和，而內能除包括物體內部所有分子的動能之外，還包括分子間勢能的總和，以及組成分子的原子內部的能量、原子核內部的能量、物體內部空間的電磁輻射能等。

溫度是表示物體冷熱情況的一種標志。物體受熱，溫度上升；物體受冷，溫度下降。反之，物體溫度升高，表示它吸熱；溫度降低，表示它放熱。因此，根據溫度可以判斷熱量傳遞的方向，而熱量總是從高溫處傳向低溫處。溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從微觀上來講溫度是反映了物體分子熱運動的劇烈程度，是物體分子平均動能的標志溫度是大量分子熱運動的集中體現。溫度是物體分子平均動能大小的標志，兩個相接觸的物體熱傳遞的過程是高溫物體大量動能大的分子與低溫物體大量動能小的分子相碰撞，發生能量交換，前者動能減小后者動能增加直至動能趨于一致達到動能平衡，這時兩個物體的溫度相同。

用來度量溫度高低而規定的標尺稱為溫度標尺，簡稱溫標。為了定量地確定溫度，對物體或系統溫度給以具體的數量標志，各種各樣溫度計的數值都是由溫標決定的。為量度物體或系統溫度的高低對溫度的零點和分度法所做的一種規定，是溫度的單位制。

華氏溫標與攝氏溫標

最早建立的溫標是華氏溫標、攝氏溫標，這些溫標統稱為經驗溫標。它們的缺陷是溫度讀數與測溫物質及測溫屬性有關，經驗溫標現已廢棄不用。為了統一溫度的測量，溫度的計量工作中采用理想氣體溫標為標準溫標。規定溫度與測溫屬性成正比關系，選水的三相點為固定點。國際單位制中采用的溫標，是熱力學溫標。它的單位是開爾文，中文代號是開，國際代號是K。

化學能是在化學反應中能發生改變的那部分物質的內能，化石燃料燃燒、炸藥爆炸、食物在動物體內發生化學變化，這些在化學變化中釋放出的能，表現形式上可以是熱能、光能、電能等，都源于物質發生化學變化時內能的改變。綠色植物的光合作用，太陽光的光能通過光合反應，轉化為碳水化合物的內能，這部分內能在碳水化合物發生氧化反應轉化為水和二氧化碳時，可以釋放出來，都是化學能的范疇。

比熱容是熱力學中常用的一個物理量，是單位質量的物質溫度升高（或降低）1K（或1°C）時所吸收（或放出）的熱量。測量物質比熱容的方法有混合法、冷卻法、物態變化法、電流量熱法。根據物量計量單位的不同，比熱容分為質量比熱容C、單位為

，摩爾比熱容

、單位為

，體積比熱容

、單位為

。其中最常用的是質量比熱容，摩爾比熱容次之。比熱容與升溫過程的條件有關，分別有定壓條件和定容條件下測量的熱容，其數值不同，對氣體尤為顯著，但對固體材料則幾乎無差異，所以通常只測比定壓熱容（

）。

開爾文是熱力學溫標或稱xxx溫標，是國際單位制中的溫度單位。開爾文溫度常用符號K表示，其單位為開。英國物理學家開爾文指出，溫度每降低一度，隨之降低

的是物質分子的平均內能，即在-273.16℃時，物體的內能為零，分子運動完全停止，開爾文把-273.16℃定義為xxx零度。

兩個系統分別與處于確定狀態的第三個系統達到熱平衡，這兩系統之間也將處于熱平衡。該定律也被稱為熱平衡定律。該定律由福勒（Fowler）在1939年提出。熱力學第零定律告訴我們，互為熱平衡的熱力學系統具有一個數值相等的狀態函數，該狀態函數被定義為溫度。熱力學第零定律提供了判斷兩系統接觸是否達到熱平衡的依據，以一個確定溫度的系統為標準，與之接觸后狀態不變的系統溫度相同，狀態變化的系統溫度不同，于是可以判斷相互接觸的兩系統溫度是否相同，但無法判斷二者溫度誰高誰低，想要準確測量溫度，還需借助溫度計。

熱平衡說明

當熱能在與其他形式能量相互轉換時，能的總量保持不變。該定律也被稱為能量守恒定律。熱力學xxx定律是能量轉換和守恒定律在熱力學中的應用，它用來確定熱力過程中各種能量在量上的相互關系。熱力學xxx定律指出熱能作為能量，可以與其他形式的能量相互轉換，但在轉換過程中能量總量保持不變。熱力學xxx定律的能量方程式是熱力學中最基本的方程式之一，對于任何熱力系統，能量平衡關系可表述為：輸入系統的能量 - 系統輸出的能量 = 系統儲存能量的變化封閉系統的熱力學xxx定律的表達式為：

（

表示外界輸入系統的凈熱量；

表示系統熱力學能的變化；

表示系統輸出的總功）在通常情況下，封閉系統宏觀運動的動能和位能的變化可忽略不計，系統儲存能量的變化只有熱力學能的變化。穩定流動系統的熱力學xxx定律的表達式為：

（

表示輸入系統的凈熱量；

表示流體帶出的焓[hán]值與帶人的焓值之差；

表示技術功，可理解為技術上可利用的功）穩定流動是指流道中任何位置上流體的流速及其他狀態參數（包括溫度、壓力、比體積等）都不隨時間發生變化的流動。在工程應用中，大部分能量轉換裝置中的工質常處于穩定流動的狀態。

熱力學第二定律指出自然界進行的能量轉換過程是有方向性的，過程總是自發地朝著一定的方向進行，如水總是自發地從高處向低處流動。由于熱力學過程普遍存在于各類工程實踐中，因此，熱力學第二定律的應用范圍極其廣泛，其表述方式也形式多樣。但所有的表述方式所表達的實質是共同的、一致的，因而不同的表述方式都是等效的。下面列舉兩種熱力學第二定律常見的表述。克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。人們常把能通過從單一熱源取熱，使之完全變成功而不引起其他變化的機器叫做第二類永動機。熱力學第二定律也可表述為第二類永動機是不可能制成的。

不可能通過有限的循環過程，使物體溫度冷到xxx零度，即xxx零度不可能達到。這個定律根據1912年能斯特提出的“xxx溫度不可能達到”這一推論得出。從分子動力學角度分析，溫度代表著微觀粒子熱運動的平均動能，xxx零度不能達到也就意味著系統中的微觀粒子始終處于熱運動之中。在歷史上，熱力學第三定律是從大量實驗事實中總結出來的，作為經驗規律，它與熱力學xxx、第二定律共同構筑了熱力學整個邏輯基礎的公理化原理體系。從統計學的觀點來看，熱力學第三定律是物質微觀運動的量子力學本性。隨著人們在低溫領域的實踐探索，熱力學第三定律背后蘊藏的含義被不斷發現。它讓人們開始了解低溫世界，而且還把低溫和低熵聯系到一起，使人們能夠觀測到超導體和超流體現象。

在熱平衡狀態下，物質（氣體，液體和固體）分子的每一個自由度都具有相同的平均動能，在溫度T下其數值為

（k是玻耳茲曼常數，T是xxx溫度）。自由度是指完全確定一個物體的空間位置所需要的獨立坐標數目。能量均分定理是指在相對系統靜止的參考系中，分子的平均元規則動能是按自由度平均分配。能量均分定理是經典力學中的一條重要的統計規律，適用于大量分子組成的系統，包括氣體和較高溫度下的液體和固體，適用于分子的平動、轉動和振動，經典統計物理給出定理的嚴格證明。

熱能既可以直接獲得，也可以通過能量轉換獲得，前者是將太陽和地熱等所提供的熱能加以收集后直接使用，后者則是將蘊藏于燃料中的核能或化學能經適當轉換而獲得。其他形式的能量（如化學能、核能等）都可以很容易地轉換為熱能而得到利用，但其必須遵循相關的能量轉換原理。

其他形式的能量

太陽內部持續不斷地進行著由氫聚變成氨的核聚變反應，同時其不斷地以光線的形式向廣闊宇宙空間輻射出巨大的能量，即太陽能。在該反應過程中，太陽內部產生數百萬攝氏度的高溫，表面溫度達5762K，這正是太陽向空間輻射出巨大能量的源泉，地球所接收到的太陽能相當于全球所需能量的3萬~4萬倍，其總量是現今世界上可以開發利用的xxx能源量。對人類來說，太陽能是一種無限的能源，太陽能的研究和應用是今后人類能源的發展方向。

太陽的物理數據

化學能轉換為熱能是人類利用熱能最為古老的方式，也是迄今為止仍為主導的用能方式。化學能通常存儲于燃料中，通過燃料的燃燒來實現化學能轉換為熱能。燃料按形式可分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料。天然固體燃料包括煤炭和生物質等，煤炭是世界上儲量最多的天然燃料。天然固體燃料可通過加工變為人工固體燃料，如焦炭、型煤和木炭等。天然液體燃料即石油。原油通過加工變為人工液體燃料，如汽油、煤油、柴油和重油等。汽油和柴油通常用于發動機，重油用于燃煤鍋爐點火或低負荷穩燃。天然的氣體燃料包括天然氣 （natural gas）、煤層氣、頁巖氣 （shell gas）等，人工氣體燃料來源于煤和石油的加工，包括：焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣和液化石油氣等。氣體燃料主要用于民用、燃氣鍋爐、窯爐、燃氣輪機以及燃煤鍋爐等。

燃煤鍋爐

核能獲得的途徑主要有兩種，即核裂變與核聚變。核裂變的使用已經達到工業應用規模；而核聚變即受控熱核反應，需要在1億攝氏度的高溫下才能進行，由于所需條件十分苛刻，所以迄今尚未實現工業化和大規模應用的水平。核能具有環境影響小、能量密度高、經濟性良好、安全性能高等特點，日漸成為人類使用的重要能源之一，逐漸成為工業能源的重要組成部分。

核電站

地熱是來自地球內部的高溫熱能，地球剛形成的時候，溫度非常高，隨著時間的推移，地表逐漸冷卻，但它內部仍然保留著大量的熱能。與此同時，地球內部存在著很多放射性同位素，它們無時無刻不在產生熱量，不斷地加熱著地球。地球是內部可以分為三層：地殼、地幔和地核。從地表往下到地殼、地幔再到地核，溫度逐漸升高，在地核處甚至能達到6000°C以上，地球內部存在著各式各樣的熱，有自轉熱、重力熱、化學熱和放射熱等。這些熱源源不斷地從地球內部一層層、一圈圈向外傳遞到地殼中，成為廣泛存在于地球各處的地熱資源。與其他能源相比，地熱不受地域、季節、晝夜等因素限制，能夠為人類提供穩定的能源供給。地熱能被認為是一種可再生的清潔能源。

利用地熱能發電

生物能從生物獲得的能量。生物能是一種間接的太陽能，地球上大量的綠色植物通過光合作用，將太陽光能轉化為生物能存貯于有機物中。每年地球上的綠色植物經光合作用生成的生物能量約為全球耗能的3-8倍。通過直接燃燒的方式可以將植物的生物能轉化為熱能。

通過燃燒植物轉化

熱傳遞是指由于溫度差引起的熱能傳遞現象。熱傳遞中用熱量量度物體內能的改變。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。

熱量從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫做熱傳導。它是通過物質內部的分子間相互碰撞和振動傳遞熱能的過程。當物體的一部分受熱時，分子會獲得能量，并傳遞給周圍的分子。這個過程在固體中最為顯著，因為固體的分子相對穩定地排列在一起，便于熱能的傳遞。熱傳導的速度取決于物質的導熱性能和溫度差異。熱傳導的條件是相鄰物體之間，或同一物體的不同區域具有溫度差，形成溫度梯度。其微觀機制是固體巖石通過內部晶格質點的熱振動來進行熱傳導，對于不流動的流體則通過分子的熱振動來層層傳遞熱量，在金屬物體中主要是由自由電子的熱振動而引起熱傳導。這些傳導在高溫下還有明顯的電磁輻射形式的熱傳遞，這些熱傳遞過程都沒有物質轉移。

熱對流是指通過流體（氣體或液體）的對流運動將熱能傳遞的過程。當流體受熱并膨脹時，其密度減小，從而形成一個升溫的熱量區域，該區域會上升并向上邊界移動。同時，冷卻的流體下沉并形成冷區。通過這種對流運動，熱能得以從熱區傳遞到冷區。對流傳熱的速度取決于流體的性質、密度差異和運動的強度。熱對流現象在自然界廣泛存在，例如地下熱液的活動，巖漿的活動，海洋熱流的活動，地幔巖漿的運動等。

洋流圖

物質中的分子、原子和電子的振動、轉動等運動狀態的改變，會輻射出頻率較高的電磁波，這類電磁波覆蓋了較寬的頻譜范圍，包括可見光與部分紅外光區域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程稱為熱輻射。當熱射線照射到物體表面時，一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分穿過該物體。熱輻射是指通過電磁輻射傳遞熱能的過程，熱能以電磁波的形式從熱源輻射出去，并在空間中以光的速度傳播。這種傳熱方式不需要介質的存在，可以在真空中傳遞熱能。輻射傳熱的速度取決于熱源的溫度和物體的輻射特性。

熱能是人類使用最廣泛的能源形式，幾乎所有的能源都要轉換成熱能才能為人類所用，或者再轉換成其他形式的能量予以利用。在實際的能源利用過程中，大量的能源首先轉換成熱能，熱能再通過熱機、熱電、熱反應器、黑體輻射等方式轉換為機械能、電能、化學能和光能再加以利用，如下圖所示。

熱能轉換利用路徑

熱電轉換是利用材料的熱電效應或熱電耦合效應，在溫度差的作用下，將熱能轉換為電能。全球約有80%的電站利用熱能發電。以熱電材料為核心的熱電轉換技術可不依靠任何外力將“熱”與“電”兩種不同形態的能量直接轉換，備受科學界和工業界的關注。不同于通常的介質轉換的方式，理論上熱電材料的熱能利用效率可無限接近卡諾循環，但是實際的材料仍然低于10%，這也是限制大規模應用的主要原因。

熱電轉換原理

熱能機械能轉換的基本原理是通過燃燒或燃料氧化反應釋放出的熱能驅動工作物質（如氣體或液體）進行膨脹，從而產生機械力，并通過傳統的機械結構將機械力轉化為旋轉運動或線性運動，最終實現機械能的輸出。機械能是一種高品位的能量形式，因為它能全部不計損耗地轉換為熱能。熱能轉換為機械能一般要借助熱機，能將燃料的化學能轉換為機械能的熱機。最為直接的就是內燃機及燃氣輪機，將燃料通過燃燒設備轉換為燃燒產物的顯熱，再通過換熱轉化為蒸汽中的熱量，再由蒸汽去推動蒸汽或汽輪機得到機械能。

化學能轉換為熱能的原理基于化學反應過程中能量的釋放。在化學反應中，原子或分子之間的化學鍵被斷裂或重新排列，形成新的化學物質。如果一個化學反應釋放的能量大于其吸收的能量，這個過程就是放熱反應。在放熱反應中，多余的能量以熱的形式釋放，從而將儲存在化學鍵中的能量轉化為熱能。這種能量轉換在自然界和人類活動中非常普遍，如燃燒燃料、生物體內的新陳代謝過程等。

放熱反應

熱能在電力行業xxx的用途就是發電，可以利用燃料、核能或太陽能等能源產生高溫高壓的蒸汽，進而驅動渦輪發電機發電的技術。主要的熱能發電技術包括燃煤發電、燃氣發電、核能發電、太陽能發電等。通過固體、液體、氣體等燃料的燃燒將化學能轉化為熱能，再用動力機械轉換為機械能驅動發電機發電的工廠稱為火力發電廠，簡稱火電廠。其中完成上述能量轉換過程的設備組合稱為火力發電機組。

塔式太陽能熱發電站

熱能在航空航天領域的用途就是為火箭升天提供動力，火箭發動機xxx的零件就是噴管，火箭的噴管的主要作用是將火箭推進劑燃料產生的高溫、高壓氣體的熱能轉化為動能，從而讓火箭獲得巨大的推力。而火箭發動機正是應用了熱能動力系統，將熱能轉化為機械能，從高溫熱源處獲得熱量，在高溫高壓的情況下產生膨脹，并將循環的廢熱進行排除，熱能系統的高溫熱源主要來自于礦物燃料，產生熱能

直徑2.5米級的再生冷卻噴管

熱能如地熱能可以直接用于供暖，比如中國的北方地區通過地熱能的直接開采用于居民生活供暖供熱，也有直接利用出露地表或在地下作深循環的對流型地熱資源，即為日常所見的溫泉。淺層和中深層地熱供暖規模均將實現進一步快速增長。地熱清潔供暖對碳減排和大氣污染防治效果十分突出，且地熱供暖在無補貼的條件下已具備較煤炭、燃氣、電供暖的價格優勢。

地熱供暖系統