熱

熱力學

Heat

熱可以指：

• 熱學

• 熱量

• 熱能

• 熱運動

• 相對地高的溫度

熱學又稱 熱物理學，是研究熱現象（即與溫度有關的物理現象）的科學。

熱學一般分為熱力學和統計力學兩部分，前者是建立在實驗基礎上的宏觀理論，後者是建立在量子力學和數理統計學上的微觀理論。

由於溫差的存在而導致的能量轉化過程中所轉化的能量；而該轉化過程稱為 熱交換或 熱傳遞；熱量的公製為焦耳。

熱量與熱能之間的關係就好比是做功與機械能之間的關係一樣。若兩區域之間尚未達至熱平衡，那麼熱便在它們中間溫度高的地方向溫度低的另一方傳遞。任何物質都有一定數量的內能，這和組成物質的原子、分子的無序運動有關。當兩不同溫度的物質處於熱接觸時，它們便交換內能，直至雙方溫度一致，也就是達致熱平衡。這裡，所傳遞的能量數便等同於所交換的熱量數。許多人把熱量跟內能弄混，其實熱量指的是內能的變化、系統的做功。熱量描述能量的流動，而內能描述能量本身。充分了解熱量與內能的分別是明白熱力學第一定律的關鍵。

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。

熱運動是自然界中獨立存在的基本運動形式之一，有巨大數量微觀粒子（分子、原子、電子或點陣粒子等）參與的 永不停息的無規則運動，並伴有頻繁碰撞。

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。溫度理論上的高極點是“普朗克溫度”，而理論上的低極點則是“絕對零度”。“普朗克溫度”和“絕對零度”都是無法通過有限步驟達到的。目前國際上用得較多的溫標有攝氏溫標（°C）、華氏溫標（°F） 、熱力學溫標（K）和國際實用溫標。

熱是什麼？自古以來就有不同的看法。十六世紀以後，熱的本質的問題又引起了科學家和研究人員的注意。

培根從摩擦生熱等現象中得出“熱是一種膨脹的、被約束的而在其鬥爭中作用於物體的較小粒子之上的運動”，這種看法影響了許多科學家。

波義耳看到鐵釘被捶擊後會生熱，想到鐵釘內部產生了強烈的運動，所以認為熱是“物體各部分發生強烈而雜亂的運動”；笛卡爾把熱看作是物質粒子的一種旋轉運動。胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱“並不是什麼其他的東西，而是一個物體的各個部分的非常活躍和極其猛烈的運動。”牛頓也指出物體的粒子“因運動而發熱”。洛克甚至還認識到“極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止”。

波義耳動搖於熱的運動說和熱質說之間。在考察放在真空容器中的一塊熾熱的鐵可以使器壁感受到熱的現象時，他認為這似乎只能用“熱”自己傳過來加以解釋。波爾哈夫認為，熱的本源是鑽在物體細孔中的、具有高度可產塑性和貫穿性的物質粒子，它們沒有重量，彼此間有排斥性，而且瀰漫於全宇宙。1789年，拉瓦錫還將“熱質”和“光”列入無機界二十三種“元素”之中。

俄國學者羅蒙諾索夫在十八世紀四十年代提出了兩篇關於物理學的論文，第一篇是關於熱力學基礎的，題為《關於熱和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是關於分子運動論的，題為《試論空氣的彈力》（1748）。

布萊克是熱質說的一個重要倡導者。他雖然相信最終會發生現熱“將不是化學的，而是力學的”，但他又很難否定熱質說。他覺得熱是運動的學說還有不少困難。例如，如果說熱是物質內部粒子的運動，那麼密度大的物質由於其內部粒子吸引力強而不易振動，比熱就應越大，但為何水銀的比熱反而比水的比熱小呢？對於“潛熱”，用粒子的機械運動更難作出解釋。所以布萊克宣稱他“不能形成這種內部振動的概念”，而採取了熱是某種特殊物質的觀點。

但是，到了十八世紀末，熱質說受到了嚴重的挑戰。1798年，出生於美國，後來加入英國國籍的物理學家本傑明·湯普遜即倫福德伯爵向英國皇家學會提出了一個報告，說他在慕尼黑監督炮筒鑽孔工作時，注意到炮筒溫度升高，鑽削下的金屬屑溫度更高的現象，他提出了大量的熱是從哪裡來的這個問題。他在盡量作到絕熱的條件下進行了一系列鑽孔實驗，比較了鑽孔前後金屬和碎屑的比熱，發現鑽磨不會改變金屬的比熱。他還用很鈍的鑽頭鑽炮筒，半小時后炮筒從60度F升溫到130度F，金屬碎屑只有五十多克，相當於炮筒質量的九百四十八分之一，這一小部分碎屑能夠放出這麼大的“潛熱”嗎？他在筆記中寫道：“看來在這些實驗中，由摩擦產生熱的源泉是不可窮盡的。不待說，任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無限制地提供出來的東西，決不可能是具體的物質實體；在我看來，在這些實驗中被激發出來的熱，除了把它看作是‘運動’以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。”

六年以後，熱質論者還在辯解說倫福德實驗中的熱是從周圍的“熱質海洋”中吸收來的。1799年，英國化學家戴維進行了這樣的實驗：在一個同周圍環境隔離開來的真空容器里，利用鐘錶機件使裡面的29度F的兩塊冰互相摩擦而熔解為水。在這個實驗中，“熱質海洋”被外面的冰壁隔絕，而摩擦的冰塊只能吸收“潛熱”熔解為水，是不可能擠出“潛熱”的；冰在熔解后又變成了比熱更大的水。因此，在這裡，“熱質守恆”的關係不再成立了。戴維由此斷言“熱質是不存在的”。在對粒子振動的思想猶豫了一段時間之後，1812年他終於明確提出：“熱現象的直接原因是運動，它的轉化定律和運動轉化定律一樣，同樣是正確的。”

倫福德和戴維的實驗都支持了熱是運動的看法，但這並沒有結束熱質說的歷史。只有托馬斯·楊在他1807年的那本書中對熱質說進行了駁斥。但依然有很多其他人堅持著熱質說。直到1848年，W·湯姆遜還從熱質說的觀點對焦耳的研究結果提出過質疑。

熱是能量的表現形式，既然是能量，那麼它就必須遵守能量的某些規律，能量不能離開物質而存在`物量一體，一個物體越快它的能量就有多大。

在原子和原子之間除了電子幾乎是沒有什麼物質，接近於真空，如果假設熱是那些微小物質的話又不符合熱傳導的某些規律，因為如果是那樣的話，原子之間對於它們有很多空隙，那麼熱會被很快散發

熱的表現形式就電子運動的快慢，原子是不可能的，熱只能由電子轉移到電子。

這個結論顯然是符合下面這些規律的：

很多分子的導熱速度不同，有些分子的組合形式是不同的。

假如一個電子同時被兩個原子吸引，那麼就被被固定到中間而不能自由移動，這類分子的導熱性質就比較差了，而第二種分子的自由電子是比較多的，這類分子的導熱性質就比較好了，鐵就是一種。

而熱分解反應可以看成是電子運動的快，而脫離了另一個原子的束縛。

做功或熱傳遞（包括對流。輻射。熱傳導）。熱以波的形式從高溫物體向低溫物體傳播。熱可加速分子的無規則運動。

熱是運動的觀點尚缺乏足夠的實驗根據，所以還不能形成為科學理論。隨著古希臘原子論思想的復興，熱是某種特殊的物質實體的觀點也得到流傳。法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的。它們非常細緻，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中。這個觀念，把人們引向“熱質說”。

熱質說簡易地解釋了當時發現的大部分熱學現象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質引起的；熱傳導是熱質的流動，對流是載有熱質的物體的流動，輻射是熱質的傳播；物體受熱膨脹是因為熱質粒子間的相互排斥；物質狀態變化時的“潛熱”是物持粒子與熱質發生“准化學反應”的結果；摩擦或碰撞的生熱現象，是同上於“潛熱”被擠壓出來以及物質的比熱變小的結果；等等。由於熱質的物質性，所以它也遵從物質守恆定律，這是混合量熱法的理論根據。

在熱質說觀點的指導下，熱學研究所取得的主要進展有：布萊克發現了比熱和“潛熱”；瓦特從理論上分析了舊蒸汽機的主要缺陷而引導他改進了蒸汽機；傅立葉依據這一物理圖象建立了熱傳導理論；卡諾從熱質傳遞的觀點出發於十九世紀初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論。

熱質說的成功，使人們相信它是一個正確的學說，從而壓倒了熱是運動的看法而在十八世紀到十九世紀初居於統治地位。

在兩篇論文中，羅蒙諾索夫提出了如下的見解：“熱的充分根源在於運動”，即熱是物質的運動，運動著的是物體內那些為肉眼所看不見的細小微粒；微粒本身是球狀的，因為只有這樣，固體變熱時才能保持它的外形；熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由於高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運動的量與接受的運動量相等，一物體使另一物體變熱時，它自身便會變冷，這就肯定了運動守恆在熱現象中的正確性；氣體分子的運動呈現一種“混亂交錯”的狀態，是雜亂無規則的。

①經某一過程溫度變化為△t，它吸收(或放出)的熱量．Q表示熱量(J)，

Q=c×m×△t．

Q=c×m×（t－t）

Q=c×m×（t－t）

（t是初溫；t是末溫）

其中C是與這個過程相關的比熱(容)．

熱量的單位與功、能量的單位相同．在國際單位制中熱量的單位為焦耳(簡稱焦，縮寫為J)．歷史上曾定義熱量單位為卡路里(簡稱卡，縮寫為cal)，只作為能量的輔助單位，1卡=4.184焦．

注意：1千卡=1000卡=1000卡路里=4184焦耳=4.184千焦

某一區域在某一時段內吸收的熱量與釋放、儲存的熱量所維持的均衡關係。

△T=（t-t）

②固體燃料完全燃燒釋放的熱量的計算公式：Q放=mq　氣體燃料完全燃燒釋放的熱量的計算公式：Q=VqQ表示熱量(J)，q表示熱值( J/kg )，m表示固體燃料的質量(kg)，V表示氣體燃料的體積(m）。

q=Q/m(固體）；q=Q/v(氣體）

W=Q=qm=Q/m W=Q=qV=Q/v (W：總功）

（熱值與壓強有關）

SI制國際單位：

Q———某種燃料完全燃燒後放出的熱量———焦耳 J

m———表示某種燃料的質量———千克 kg

q———表示某種燃料的熱值———焦耳每千克 J/kg