热能 （原子或分子无序运动而产生的能量）

简介

热能既可以直接获得，也可以通过能量转换获得热能的传递方式有三种，辐射、传导和对流。辐射是通过光子传递热能，传导是从高温物质通过接触分子部位运动的熵增原理向外传递，对流是通过物质质量的转移同时把热能转移。

热能可由下列三种不同的现象表现出来：温度变化，物质状态的变化以及物质化学特性的变化。作为一种能量的形式，热能不会凭空产生，也不会消灭，而只能在物质间转移或转变成能量的其他形式。

热能的特点是温度梯度和热流，它通过热发电机转化为电能，这些发电机从根本上基于赛贝克效应。这种能量存在于机械（工业）和人体中。温度梯度主要是在热源和室温之间得到的。

在人类可利用的资源类型中，热能占主要部分，有80%～90%的能量是先转化为热能的形式再加以利用。人类最主要的常规热能来源是燃料热能，指传统化石燃料，如煤炭、石油、天然气等燃烧产生的热能。其他的热能来源还包括太阳能、核能、地热、海水热能等。热能的主要应用领域就在电力行业、航空航天以及建筑供暖等。

研究历史

背景

古希腊时代一直以来都有热质说和热动说两种观念，其中热质说的代表性人物是布莱克、伽桑狄，认为热是一种没有重量的特殊流体物质，数量是守恒的，热质粒子之间相互排斥，但却受到普通物质粒子的吸引，而且不同的普通物质对热流体的吸引力不同；另外一种是以培根、笛卡儿为代表的热动说，认为热是组成物质的微观粒子运动的表现，它可由物体的机械运动转化而来。

起源

整个十八世纪，热质说和热动说这两种观念都存在。1798年，汤普森（Benjamin Thompson）在英国皇家学会上发表了《关于用摩擦产热的来源的调研》一文。1799年，戴维（Hum-phry Davy）做了著名的摩擦两块冰，可以融化为水的实验。这个实验质疑了热作为一种物质的存在。但是当时这两个实验并没有受到重视。

直到十九世纪，1822年，法国数学家傅立叶（Jean Baptiste Joseph Fourier）出版了专著《热的解析理论》用数学理论，从现象出发建立关于热的普遍理论，集中解决了热在非均匀加热的固体中的分布传播的问题。1824年卡诺发表了《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》这本书，卡诺在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺定理”。卡诺定理涉及热能和功的相互转换问题，也涉及热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题，还包含了热力学第二定律的若干内容。这两部著作都不同程度上以热质说的观点为基础。

发展

1847年，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）在一次演讲中描述了与热能和热量相关的术语，他将热的形式定义为显热（sensible heat）和潜热（latent heat），它们分别影响粒子的动能和势能，最终得出了热和功可以以固定比列进行互换的这个结论，同年赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）也基于永久运动不可能这样的抽象思维得出了相同结论。

1848年6月，开尔文发表了著名论文《在卡诺热动力学理论基础上和从雷诺的观察进行计算的绝对温标》一文，正式提出了绝对温标。这种温标主要用来作为物理判据的标准，它也可以作为实际温度计的标准。1954年，国际计量大会规定水的三相点的温度为273.16K，这样定出的热力学温度的单位K（开尔文），这个温度就是水的三相点的热力学温度。

相关概念

内能

物体内所有分子做无规则运动的分子动能和分子势能的总和叫做物体的内能。任何一个物体都是处于一定的状态中，以气体为例，气体状态主要用压强、体积和温度这三个状态参量表示当蒸汽机气缸中被压缩的水蒸汽的压强大于外部压强时可以推动活塞对外做功。在做功的过程中其状态发生变化，这说明处于一定状态的水蒸汽具有做功的本领，即具有能量，这显然不是机械能而是另一种形式的能，是由物体内部的状态决定的能，我们称其为内能。

物体内能的大小与物体的种类、质量、温度、状态等多种因素有关， 内能大的物体温度不一定高， 内能小的物体温度不一定低若内能大的物体的温度低于内能小的物体，这两个物体相接触时， 热量只能从内能小的物体自动传给内能大的物体。

从分子运动论观点看，热能的本质是物体内部所有分子动能之和，而内能除包括物体内部所有分子的动能之外，还包括分子间势能的总和，以及组成分子的原子内部的能量、原子核内部的能量、物体内部空间的电磁辐射能等。

温度

温度是表示物体冷热情况的一种标志。物体受热，温度上升；物体受冷，温度下降。反之，物体温度升高，表示它吸热；温度降低，表示它放热。因此，根据温度可以判断热量传递的方向，而热量总是从高温处传向低温处。

温度是表示物体冷热程度的物理量，从微观上来讲温度是反映了物体分子热运动的剧烈程度，是物体分子平均动能的标志温度是大量分子热运动的集中体现。温度是物体分子平均动能大小的标志，两个相接触的物体热传递的过程是高温物体大量动能大的分子与低温物体大量动能小的分子相碰撞，发生能量交换，前者动能减小后者动能增加直至动能趋于一致达到动平衡，这时两个物体的温度相同。

温标

摄氏温标符号为°C。取标准大气压下纯水结冰时的温度（冰点）为0°C，純水沸腾时的温度（沸点）为100°C，在这两个基本点之间分成100个刻度，每个刻度等于1°C。摄氏温标，又称百分温标。

华氏温标符号为°F，取标准大气压下纯水冰点为32°F，纯水沸点为212°F，在这两个基本点之间分成180个刻度，每个刻度相当于1°F。

化学能

化学能是在化学反应中能发生改变的那部分物质的内能，化石燃料燃烧、炸药爆炸、食物在动物体内发生化学变化，这些在化学变化中释放出的能，表现形式上可以是热能、光能、电能等，都源于物质发生化学变化时内能的改变。绿色植物的光合作用，太阳光的光能通过光合反应，转化为碳水化合物的内能，这部分内能在碳水化合物发生氧化反应转化为水和二氧化碳时，可以释放出来，都是化学能的范畴。

比热容

比热容是热力学中常用的一个物理量，是单位质量的物质温度升高（或降低）1K（或1°C）时所吸收（或放出）的热量。测量物质比热容的方法有混合法、冷却法、物态变化法、电流量热法。根据物量计量单位的不同，比热容分为质量比热容C、单位为

热力学第一定律

当热能在与其他形式能量相互转换时，能的总量保持不变。该定律也被称为能量守恒定律。

热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学中的应用，它用来确定热力过程中各种能量在量上的相互关系。热力学第一定律指出热能作为能量，可以与其他形式的能量相互转换，但在转换过程中能量总量保持不变。

热力学第一定律的能量方程式是热力学中最基本的方程式之一，对于任何热力系统，能量平衡关系可表述为：

输人系统的能量 - 系统输出的能量 = 系统储存能量的变化

封闭系统的热力学第一定律的表达式为：

太阳能

太阳内部持续不断地进行着由氢聚变成氨的核聚变反应，同时其不断地以光线的形式向广阔宇宙空间辐射出巨大的能量，即太阳能。在该反应过程中，太阳内部产生数百万摄氏度的高温，表面温度达5762K，这正是太阳向空间辐射出巨大能量的源泉，地球所接收到的太阳能相当于全球所需能量的3万~4万倍，其总量是现今世界上可以开发利用的最大能源量。对人类来说，太阳能是一种无限的能源，太阳能的研究和应用是今后人类能源的发展方向。

化学能

化学能转换为热能是人类利用热能最为古老的方式，也是迄今为止仍为主导的用能方式。化学能通常存储于燃料中，通过燃料的燃烧来实现化学能转换为热能。燃料按形式可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。天然固体燃料包括煤炭和生物质等。煤炭是世界上储量最多的天然燃料，尤其在中国，煤炭在一次能源的构成中占70%左右。天然固体燃料可通过加工变为人工固体燃料，如焦炭、型煤和木炭等。天然液体燃料即石油。原油通过加工变为人工液体燃料，如汽油、煤油、柴油和重油等。汽油和柴油通常用于发动机，重油用于燃煤锅炉点火或低负荷稳燃。天然的气体燃料包括天然气 （natural gas）、煤层气、页岩气 （shell gas） 等，人工气体燃料来源于煤和石油的加工，包括: 焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。气体燃料主要用于民用、燃气锅炉、窑炉、燃气轮机以及燃煤锅炉等。

核能

核能获得的途径主要有两种，即核裂变与核聚变。核裂变的使用已经达到工业应用规模；而核聚变即受控热核反应，需要在1亿摄氏度的高温下才能进行，由于所需条件十分苛刻，所以迄今尚未实现工业化和大规模应用的水平。核能具有环境影响小、能量密度高、经济性良好、安全性能高等特点，日渐成为人类使用的重要能源之一，逐渐成为工业能源的重要组成部分。

地热能

地热是来自地球内部的高温热能，地球刚形成的时候，温度非常高，随着时间的推移，地表逐渐冷却，但它内部仍然保留着大量的热能。与此同时，地球内部存在着很多放射性同位素，它们无时无刻不在产生热量，不断地加热着地球。

地球是外温而内热的。它的内部可以分为三层: 地壳、地慢和地核。从地表往下到地壳、地幔再到地核，温度逐渐升高，在地核处甚至能达到6000°C以上，地球内部存在着各式各样的热，有自转热、重力热、化学热和放射热等。这些热源源不断地从地球内部一层层、一圈圈向外传递到地壳中，成为广泛存在于地球各处的地热资源。与其他能源相比，地热不受地域、季节、昼夜等因素限制，能够为人类提供稳定的能源供给。地热能被认为是一种可再生的清洁能源。

生物能

生物能从生物获得的能量。生物能是一种间接的太阳能，地球上大量的绿色植物通过光合作用，将太阳光能转化为生物能存贮于有机物中。每年地球上的绿色植物经光合作用生成的生物能量约为全球耗能的3-8倍。通过直接燃烧的方式可以将植物的生物能转化为热能。

传递方式

热传递是指由于温度差引起的热能传递现象。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。

热传导

热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。它是通过物质内部的分子间相互碰撞和振动传递热能的过程。当物体的一部分受热时，分子会获得能量，并传递给周围的分子。这个过程在固体中最为显著，因为固体的分子相对稳定地排列在一起，便于热能的传递。热传导的速度取决于物质的导热性能和温度差异。

热传导的条件是相邻物体之间，或同一物体的不同区域具有温度差，形成温度梯度。其微观机制是固体岩石通过内部晶格质点的热振动来进行热传导，对于不流动的流体则通过分子的热振动来层层传递热量，在金属物体中主要是由自由电子的热振动而引起热传导。这些传导在高温下还有明显的电磁辐射形式的热传递，这些热传递过程都没有物质转移。

热对流

热对流是指通过流体（气体或液体）的对流运动将热能传递的过程。当流体受热并膨胀时，其密度减小，从而形成一个升温的热量区域，该区域会上升并向上边界移动。同时，冷却的流体下沉并形成冷区。通过这种对流运动，热能得以从热区传递到冷区。对流传热的速度取决于流体的性质、密度差异和运动的强度。热对流现象在自然界广泛存在，例如地下热液的活动，岩浆的活动，海洋热流的活动，地幔岩浆的运动等。

热辐射

物质中的分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波，这类电磁波覆盖了较宽的频谱范围，包括可见光与部分红外光区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。当热射线照射到物体表面时，一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分穿过该物体。

热辐射是指通过电磁辐射传递热能的过程，热能以电磁波的形式从热源辐射出去，并在空间中以光的速度传播。这种传热方式不需要介质的存在，可以在真空中传递热能。辐射传热的速度取决于热源的温度和物体的辐射特性。

热能的转换

热能获取方式和转换装置。

热电转化技术

热电转化技术是利用材料的热电效应或热电耦合效应，在温度差的作用下，将热能转换为电能。全球约有80%的电站利用热能发电。以热电材料为核心的热电转换技术可不依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换，备受科学界和工业界的关注。不同于通常的介质转换的方式，理论上热电材料的热能利用效率可无限接近卡诺循环，但是实际的材料仍然低于10%，这也是限制大规模应用的主要原因。

热能机械能转化技术

热能机械能转化技术指的是将热能转化为机械能的技术，主要应用于热力机械设备，如内燃机、蒸汽轮机和燃气轮机等。热能机械能转化技术的基本原理是通过燃烧或燃料氧化反应释放出的热能驱动工作物质（如气体或液体）进行膨胀，从而产生机械力，并通过传统的机械结构将机械力转化为旋转运动或线性运动，最终实现机械能的输出。

太阳能热能转换技术

太阳能热能转换技术是指将太阳能转化为热能的技术。太阳辐射到地面有两种形式: 一种是从光球表面发射出的光辐射，由可见光和不可见光组成，另一种是微粒辐射，由带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子组成的粒子流，其中有一部分被反射或散射，部分被吸收，只有剩下的部分才以直射光或散射光的形式到达地球表面。到达地球表面的太阳光又有一部分被物体表面所吸收用于转换成热能。太阳能作为一种清洁、可再生的能源资源，可以通过热能转换技术转化为热能，进而应用于供暖、制冷、热水供应、工业加热等领域。

应用

电力行业

热能在电力行业最大的用途就是发电，可以利用燃料、核能或太阳能等能源产生高温高压的蒸汽，进而驱动涡轮发电机发电的技术。主要的热能发电技术包括燃煤发电、燃气发电、核能发电、太阳能发电等。通过固体、液体、气体等燃料的燃烧将化学能转化为热能，再用动力机械转换为机械能驱动发电机发电的工厂称为火力发电厂，简称火电厂。其中完成上述能量转换过程的设备组合称为火力发电机组。

热能动力

热能动力系统就是将热能转化为机械能，从高温热源处获得热量，在高温高压的情况下产生膨胀，并将循环的废热进行排除。热能系统的高温热源主要来自于矿物燃料，例如煤炭的燃烧，产生热能。

热能动力工程是利用热能转换成为机械能而获得生产所需原动力的。它最初出现于18世纪，在生产发展的强烈推动下，1784年瓦特制成了一种通用的蒸汽机，为生产提供了一种强有力的动力装置，开始了热能动力工程的新纪元。热能动力工程的地位是极为重要的。工农业各部门及人民生活所消耗的电力绝大部分是由热能动力的发电厂所生产的电能提供的；各生产部门中直接用于驱动机械设备的原动机几乎全部是汽轮机、内燃机、燃气轮机等热能动力装置。在人类征服宇宙空间的伟大斗争中，也正是热能动力家族中的一员一一强大的火箭发动机建立了功勋。

供暖

热能如地热能可以直接用于供暖，比如中国的北方地区通过地热能的直接开采用于居民生活供暖供热，也有直接利用出露地表或在地下作深循环的对流型地热资源，即为日常所见的温泉。浅层和中深层地热供暖规模均将实现进一步快速增长。地热清洁供暖对碳减排和大气污染防治效果十分突出，且地热供暖在无补贴的条件下已具备较煤炭、燃气、电供暖的价格优势。