熱能

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簡介

熱能是指物質溫度產生的能量，其中分子的振動導致物質變熱。因此，獲得的熱能越高。

焦耳是用於計算熱能的單位，這種能量最難轉換為任何其他形式。

熱能或熱能透過三種介質進行轉換，包括對流、傳導和輻射。

在物理學中，熱能具有一定的儲存能力，表現為允許從冷空氣、冰或水中儲存和轉移熱能的技術。熱能儲存的方法被應用到新的技術中，這些技術可以補充水力和太陽能等能源的解決方案。溫度最高的物質擁有更多的熱能。在相同溫度下，質量更大的材料擁有更多的熱能。

什麼是熱能？

熱能表現為一種能量形式，當溫度升高時產生。

它與材料溫度的變化直接相關。熱量表現為一種熱能，當物質越熱時，熱能就越高（Sarbu & Sebarchievici，2018）。

當溫度升高時，分子和原子相互碰撞並移動得更快，從而產生熱能。

圖1：透過傳導傳遞熱能

熱能隨著溫度升高而增加，這是由於物質的分子和原子快速運動造成的。溫度計算的是材料中粒子的平均動能（Alva，Lin & Fang，2018）。

物質的溫度和熱能越高，粒子的運動就越劇烈。熱能總是從熱物質轉移到冷物質，直到兩個物體具有相同的溫度。

熱能的型別

傳導、對流和輻射是三種不同的熱能型別。

“傳導”：在傳導的情況下，熱能的傳遞很容易產生，能量透過振動從一個分子轉移到另一個分子。分子不會從其位置移動，但它們快速地來回振動有效地改變了能量。

圖2：傳導

熱量是一種熱能，如果不存在外部障礙，它可以在物體之間傳遞能量。原子具有勢能和動能，即使在熱平衡狀態下，分子也會朝不同的方向運動，但淨影響為零（Chen *et al。* 2020）。這樣，熱量就會從一個地方轉移到另一個地方。這種熱能發生在物質的固態中。

“對流”：當熱能以液態形式傳遞時，會在層之間產生熱傳遞。當液體沸騰且溫度較低時，靠近熱源的液體分子不會移動到特定位置。

圖3：對流

這樣，在液體內部就會產生電流，當冷電流填充空隙時，熱電流向上移動。這個過程持續進行，直到液體在整個過程中達到相同的溫度。

“輻射”：在物質的氣態中，分子的運動是隨機的，因此它們可以向不同的方向移動。輻射中的能量傳遞以波的形式發生。

圖4：輻射

這些波通常表現為電磁波，它們將能量從一個分子轉移到另一個分子。熱量傳遞在真空中也是可能的，即在輻射中（Henry，Prasher & Majumdar，2020）。與傳導和對流相比，輻射中的能量傳遞更容易實現。

熱能傳遞的數學表示

在傳導中，熱量與物體厚度成反比。數學上，

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

其中 Q 表示“熱傳遞速率”，A 是“面積”，d 表示物體厚度。$\mathrm{T_{hot}}$ 表示溫度高的表面，$\mathrm{T_{cold}}$ 表示溫度低的表面。方程中的 K 是“比例常數”。

圖5：不同介質中的熱傳遞

在對流中，熱傳遞速率與冷熱區域之間的溫度差成正比。數學上，

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

其中 Q 是熱傳遞速率，A 表示面積，h 是“比例常數”。$\mathrm{T_s}$ 表示“靠近熱板的液體溫度”，$\mathrm{T_l}$ 表示遠處的“液體溫度”。

熱傳遞速率與周圍環境、熱源和物體表面積之間溫度的四次方差成正比。數學上，

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

其中 A 是面積，$\mathrm{\sigma}$ 是比例常數，$\mathrm{\epsilon}$ 是物體發射率，$\mathrm{T_s}$ 是熱源溫度，$\mathrm{T_o}$ 是物體或周圍環境的溫度。

熱能的應用

熱能的利用涉及廣泛的活動範圍，例如干燥、加熱、熏製、烹飪、烘焙、製造和冷卻。熱能主要由電器利用，電器將能量轉換為熱能作為加熱裝置。

圖6：不同的熱傳遞過程

咖啡機和捲髮器被稱為加熱裝置。手機和電腦在使用時經常會發熱（Faraj 等人，2020）。冰烘焙和為披薩盒製作太陽能烤箱是熱能的一些活動。

結論

熱能是在“電力需求低谷期”產生或收集並在熱能儲存罐中利用，然後在高峰期分配和提取到設施中。材料的熱能取決於質量和溫度。與其他能量形式不同，熱能的數量不依賴於物體所做的功的數量。像金屬這樣的導體是可以讓熱能快速透過的材料，而絕緣體則不允許熱能透過。爐子和火柴是幫助傳導熱能的不同物體例項。

常見問題

Q1. 熱能是如何傳遞的？

A：傳導、對流和輻射是三種能量傳遞的方法。每種情況下的比例常數都不同。

Q2. 什麼導致熱能？

A：熱能是由粒子的運動產生的，粒子產生不同的能量形式。液體、氣體和固體中的微小粒子都在同時運動。

Q3. 誰發明了熱能？

A：“詹姆斯·普雷斯科特·焦耳”發明了熱能。這位科學家已經實現了各種能量形式，這些形式基本上是相似的，但可以相互轉換。

Q4. 熱能的變化是什麼？

A：熱能的變化是透過質量乘以質量和比熱容以及溫度變化來測量的。它是透過從最終溫度中減去初始溫度來測量的。