熱量和溫度的區別

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介紹

在生活中，你可能曾經將溫度和熱量這兩個詞語混淆使用過。這並沒有關係，因為在日常用語的語境下，這兩個詞語確實非常相似。較多的熱量通常意味著更高的溫度。然而，在物理學的領域，熱量和溫度雖然密切相關，但它們並非等同的概念。事實上，熱量是一種能量形式，而溫度則是能量的度量。兩個溫度相同的物體不一定具有相同的熱量。反之，給予兩個物體相同的熱量，它們也不一定會有相同的溫度。

在本文中，我們將詳細闡述熱量和溫度的概念，並解釋它們之間的區別。

什麼是熱量？

簡單來說，熱量是一種能量形式。在科學領域，它被定義為正在轉移進或轉移出熱力學系統的能量。毫無疑問，能量可以透過多種方式進行轉移。熱力學功也是能量轉移的一種形式。那麼，所有能量轉移都被稱為熱量嗎？

不是的，只有透過除做功和物質轉移之外的其他過程轉移的能量才被稱為熱量。此類過程的例子包括傳導、輻射、摩擦、對流等。

熱量的單位

在國際單位制中，熱量的單位是焦耳（J）。

然而，根據使用的便利性，也可以使用其他單位來測量熱量，例如卡路里。將1克水的溫度提高1攝氏度所需的熱量被定義為1卡路里。

需要注意的是，卡路里在物理學和工程學中並不常用。大多數情況下，科學家更傾向於使用國際單位制的焦耳作為熱量的單位。

關於熱量的誤解

讓我們討論一些人們對熱量持有的一些常見誤解。

熱量和冷是不同的

在科學的語境下，“冷”本身並不存在。如果我們說某個物體是冷的，我們實際上是在說它缺乏熱量。冷是熱量的缺乏。

冷可以流進或流出物體

如前所述，冷僅僅是熱量的缺乏。因此，當我們冷卻一個系統時，我們並不是在向其中注入“冷”。相反，我們是在從系統內部移除熱量。

溫度是熱量的度量

雖然我們很快將在接下來的部分討論溫度，但你必須理解溫度並不能測量熱量。相反，它與動能有關。具有相同熱量的物體可能具有不同的溫度。

熱能的主要來源

熱能可以從許多來源獲得。以下是一些例子。

• 太陽：太陽是地球最顯著的熱源。它輻射出的能量以電磁輻射（光）的形式到達地球。這些光被物體吸收，導致它們獲得熱能。

• 地球的能量：地球蘊藏著豐富的熱能。在許多地方，人們可以發現溫泉、間歇泉等，它們的熱量可以用於各種場景，例如發電。以這種方式獲得的能量被稱為地熱能。

• 燃料：最常見但也最具環境破壞性的產生熱量的方式是燃燒燃料。雖然這些燃料會產生大量的熱量，但它們也會釋放各種氣體並汙染環境，因此必須儘量減少其使用。

什麼是溫度？

溫度是能量的度量。雖然溫度確實表達了熱度的程度，但它衡量的是與系統中原子或分子相關的平均動能。溫度的概念幾乎應用於所有科學領域，並不侷限於物理學和工程學。溫度會影響許多物理過程。例如，各種化學反應只能在特定溫度下發生。

不同的溫度標尺

由於溫度是熱量和動能的度量，因此有多種方法來定義它。特定的溫度標尺描述瞭如何測量溫度以及溫度的一個單位對應什麼。讓我們總結一下不同的溫度標尺

• 攝氏溫標：攝氏溫標以瑞典天文學家命名。該溫標使用絕對零度和一種特殊型別的水的三相點來定義。絕對零度對應於理論上最低可能的溫度0開爾文，水的三相點為273.16開爾文。

• 熱力學溫標或開爾文溫標：熱力學溫標是一種絕對溫度標尺，完全基於熱力學定律。它最初由開爾文勳爵使用熱機效率和卡諾定理設計。

• 華氏溫標：華氏溫標最初使用一種特殊鹽水溶液的冰點作為0華氏度，以及平均人體溫度作為96華氏度。後來，它使用開爾文溫標重新定義。

華氏溫標目前在美國普遍使用，而國際慣例是使用開爾文溫標。

什麼是溫度計？

用於測量溫度的裝置稱為溫度計。它通常由兩個重要的部分組成。第一個是溫度感測器，可以是數字或模擬的。第二個是顯示器，它將測量的溫度轉換為某個標尺上的數值，最常見的是攝氏或華氏標尺。

據說第一個溫度計發明於16世紀後期。然而，第一個實用的溫度計是由丹尼爾·華倫海特在18世紀初設計的，他創造了水銀玻璃溫度計。

溫度計的型別

有多種方法可以將溫度計分類為不同的型別。從廣義上講，可以根據它們如何感知和顯示溫度讀數將它們分為數字和模擬兩種。以下是幾種最常見的溫度計型別

• 水銀溫度計：水銀溫度計在其燈泡（測量溫度的部分）內部裝有少量水銀。水銀在加熱時會膨脹並在連線到燈泡的管子中上升。它上升的程度可以進行校準，並將溫度讀數列在管子上。

圖：1 體溫計

• 數字溫度計：數字溫度計具有數字感測器和顯示器。使用者將燈泡放在口腔或腋下固定時間間隔，結果會顯示在一個小螢幕上。

圖：2 數字溫度計

• 紅外溫度計：這些是最現代、最準確、最易於使用的溫度計。它們利用目標物體發出的輻射來感知其溫度，因此可以即時顯示輸出。它們具有非接觸式儀器的優點。

圖：3 紅外溫度計

結論

熱量和溫度有時被混淆使用，但它們是不同的概念。熱量是一種能量形式，以焦耳或卡路里為單位測量，而溫度是熱度的度量。它與平均動能有關，並以攝氏度、華氏度等單位測量。主要的熱源包括太陽、地熱資源和化石燃料。最後一種對環境有害，必須避免。溫度透過溫度計測量，溫度計最早發明於17世紀。它們由一個測量溫度的部分（燈泡）和一個以特定單位顯示該溫度的部分組成。紅外溫度計是最現代和最準確的溫度計。

常見問題

Q1. 如何在華氏溫標和攝氏溫標之間進行轉換？

Ans. 華氏溫標和攝氏溫標之間存線上性關係。可以使用以下公式：

$\mathrm{F=\frac{9}{5}C+32}$

Q2. 攝氏溫標和開爾文溫標之間有什麼關係？

Ans. 要從攝氏溫標轉換為開爾文溫標，請新增273.15。例如，32攝氏度等於$\mathrm{32^{\circ}C+273.15=305.15K}$

Q3. 全世界最常用的溫度標尺是哪個？

Ans. 攝氏溫標在普通民眾中使用最廣泛。然而，科學家使用開爾文溫標。

Q4. 是否可能達到絕對零度？

Ans. 到目前為止，絕對零度的概念是理論上的，我們還沒有能夠達到它。然而，在實驗室中已經測量到了接近絕對零度的溫度。

Q5. 為什麼材料在加熱時會膨脹？

Ans. 熱量是能量的度量。被加熱的分子振動得更快，振幅更大，導致材料膨脹。