热能

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简介

热能是指物质温度产生的能量，其中分子的振动导致物质变热。因此，获得的热能越高。

焦耳是用于计算热能的单位，这种能量最难转换为任何其他形式。

热能或热能通过三种介质进行转换，包括对流、传导和辐射。

在物理学中，热能具有一定的储存能力，表现为允许从冷空气、冰或水中储存和转移热能的技术。热能储存的方法被应用到新的技术中，这些技术可以补充水力和太阳能等能源的解决方案。温度最高的物质拥有更多的热能。在相同温度下，质量更大的材料拥有更多的热能。

什么是热能？

热能表现为一种能量形式，当温度升高时产生。

它与材料温度的变化直接相关。热量表现为一种热能，当物质越热时，热能就越高（Sarbu & Sebarchievici，2018）。

当温度升高时，分子和原子相互碰撞并移动得更快，从而产生热能。

图1：通过传导传递热能

热能随着温度升高而增加，这是由于物质的分子和原子快速运动造成的。温度计算的是材料中粒子的平均动能（Alva，Lin & Fang，2018）。

物质的温度和热能越高，粒子的运动就越剧烈。热能总是从热物质转移到冷物质，直到两个物体具有相同的温度。

热能的类型

传导、对流和辐射是三种不同的热能类型。

“传导”：在传导的情况下，热能的传递很容易产生，能量通过振动从一个分子转移到另一个分子。分子不会从其位置移动，但它们快速地来回振动有效地改变了能量。

图2：传导

热量是一种热能，如果不存在外部障碍，它可以在物体之间传递能量。原子具有势能和动能，即使在热平衡状态下，分子也会朝不同的方向运动，但净影响为零（Chen *et al。* 2020）。这样，热量就会从一个地方转移到另一个地方。这种热能发生在物质的固态中。

“对流”：当热能以液态形式传递时，会在层之间产生热传递。当液体沸腾且温度较低时，靠近热源的液体分子不会移动到特定位置。

图3：对流

这样，在液体内部就会产生电流，当冷电流填充空隙时，热电流向上移动。这个过程持续进行，直到液体在整个过程中达到相同的温度。

“辐射”：在物质的气态中，分子的运动是随机的，因此它们可以向不同的方向移动。辐射中的能量传递以波的形式发生。

图4：辐射

这些波通常表现为电磁波，它们将能量从一个分子转移到另一个分子。热量传递在真空中也是可能的，即在辐射中（Henry，Prasher & Majumdar，2020）。与传导和对流相比，辐射中的能量传递更容易实现。

热能传递的数学表示

在传导中，热量与物体厚度成反比。数学上，

$$\mathrm{Q=\frac{KA(T_{hot}-T_{cold})}{d}}$$

其中 Q 表示“热传递速率”，A 是“面积”，d 表示物体厚度。$\mathrm{T_{hot}}$ 表示温度高的表面，$\mathrm{T_{cold}}$ 表示温度低的表面。方程中的 K 是“比例常数”。

图5：不同介质中的热传递

在对流中，热传递速率与冷热区域之间的温度差成正比。数学上，

$$\mathrm{Q = h\:A (T_s - T_l)}$$

其中 Q 是热传递速率，A 表示面积，h 是“比例常数”。$\mathrm{T_s}$ 表示“靠近热板的液体温度”，$\mathrm{T_l}$ 表示远处的“液体温度”。

热传递速率与周围环境、热源和物体表面积之间温度的四次方差成正比。数学上，

$$\mathrm{Q= \sigma\: \epsilon\: A \: (T_s - T_o)^4}$$

其中 A 是面积，$\mathrm{\sigma}$ 是比例常数，$\mathrm{\epsilon}$ 是物体发射率，$\mathrm{T_s}$ 是热源温度，$\mathrm{T_o}$ 是物体或周围环境的温度。

热能的应用

热能的利用涉及广泛的活动范围，例如干燥、加热、熏制、烹饪、烘焙、制造和冷却。热能主要由电器利用，电器将能量转换为热能作为加热设备。

图6：不同的热传递过程

咖啡机和卷发器被称为加热设备。手机和电脑在使用时经常会发热（Faraj 等人，2020）。冰烘焙和为披萨盒制作太阳能烤箱是热能的一些活动。

结论

热能是在“电力需求低谷期”产生或收集并在热能储存罐中利用，然后在高峰期分配和提取到设施中。材料的热能取决于质量和温度。与其他能量形式不同，热能的数量不依赖于物体所做的功的数量。像金属这样的导体是可以让热能快速通过的材料，而绝缘体则不允许热能通过。炉子和火柴是帮助传导热能的不同物体实例。

常见问题

Q1. 热能是如何传递的？

A：传导、对流和辐射是三种能量传递的方法。每种情况下的比例常数都不同。

Q2. 什么导致热能？

A：热能是由粒子的运动产生的，粒子产生不同的能量形式。液体、气体和固体中的微小粒子都在同时运动。

Q3. 谁发明了热能？

A：“詹姆斯·普雷斯科特·焦耳”发明了热能。这位科学家已经实现了各种能量形式，这些形式基本上是相似的，但可以相互转换。

Q4. 热能的变化是什么？

A：热能的变化是通过质量乘以质量和比热容以及温度变化来测量的。它是通过从最终温度中减去初始温度来测量的。