淺析熱學中的熱量

韓文娟+劉海

摘 要：通過討論熱學中熱量的本質及熱量傳遞的基本方式等內容，使學生對熱量能有較深入、全面的認識，提高其分析熱量相關問題的能力。

中圖分類號：O414 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）12-0-01

引言

熱量的認識發展過程中，典型的有18世紀盛行的熱質說（clarioric said ）（認為熱是一種特殊的物質，由沒有重量的細微粒子組成，可從一個物體流向另一個物體，其數量是守恒的，熱質的粒子互相排斥，從而使物體帶有膨脹的性質）和以戴維、倫福德為先軀的熱動說（thermal said ）（認為熱是組成物質的微觀粒子運動的表現）。現在大家熟知熱量（Heat Transfer）是系統之間或系統與外界之間由于熱相互作用而傳遞的能量。但筆者在《熱學》教學中發現學生對熱量的認識依然欠準確，鑒于此，本文列舉出一些關于熱量不規范的說法，將熱量知識點穿成線進行分析闡述，使學生對熱量能有較為深入、全面的認識。

一、熱量認識

熱學教學和生活中對熱量有一些不規范的說法 ，如（1）溫度越高的物體所含的熱量越多；（2）溫度高的物體，放出的熱量一定多； （3）物體的溫度降低了，其熱量一定會減少；（4）熱水比冷水含的熱量多；（5）一大桶水比一小桶水含有的熱量多；（6）一個物體內能越多，它具有的熱量越多；（7）溫度高的物體，放出的熱量一定多 ……以上說法都不恰當，因為混淆了熱量的本質，對熱量的定義及本質分析如下：（1）熱量是一個過程量，熱量傳遞的多少與其傳遞的過程、方式有關（例如：同初、終態時，同系統進行等壓或等溫過程所傳的熱量不同）；（2）系統與外界之間發生能量傳遞時，無論系統的溫度是否發生變化，都有熱量的交換過程.（如熱平衡態的物體間是等量的你來我往的熱量交換過程）；（3）熱量不是狀態量，不能說系統含有多少熱量；（4）熱量是從高溫熱源向低溫熱源傳遞，如果沒有其他能量形式的轉化，則熱量始終是守恒的。

二、特殊的熱量-熱容

熱容[1]是在一定過程中，物體的溫度升高（或降低）單位溫度時所吸收（或放出）的熱量，它集中概括了物體吸收熱量后溫度變化情況。升高相同溫度沿不同過程進行時，吸收熱量各不相同，故在不同過程中熱容也不同，所以一般情況下都應該指明是什么過程中的熱容（如定體 、定壓過程中的熱容等）。

三、熱力學第一定律中的熱量

熱力學第一定律[2]為 Q=dU+A ，Q為系統吸收的熱量，U為系統吸收的內能， A為系統對外所作的功，以下理想氣體分析中，T為系統吸收的熱量，P為系統的壓強，V為系統的體積，H為系統的焓。

（1）等體過程

即系統吸收的熱量等于系統內能的增量。

（3）等溫過程

即系統吸收的熱量等于系統對外所作的功。

（4）絕熱過程 Q=0， 系統不吸、放熱量。

（5）如初態和終態相差很小，系統經歷一個無限小過程， 則熱一定律的形式為

，dQ為過程量，不能寫為全微分形式。

四、使物體失去熱量 （溫度降低）的常用方法

（1） 通過溫度更低的物體來冷卻；（2） 通過吸收潛熱（如汽化熱、吸附熱等）來降溫；（3）通過絕熱膨脹降溫釋放熱量 。

五、決定熱傳遞（熱傳導）的方向的內因

圖 一中，初態：兩物體溫度不同，此時尚能按分子的平均動能的大小來區分兩物體。 末態：兩物體溫度相同，此時已不能按分子的平均動能的大小來區分兩物體。 熱傳導（分子在速度空間中分布得越分散，越無序），大量分子運動的無序性增大了，熱量傳遞朝著無序性增大的方向進行。

六、熱科學中的傳熱研究側重不同

熱科學（Thermal Science）分為熱力學和傳熱學，熱力學中研究系統從一個平衡態到另一個平衡態的過程中傳遞熱量的多少；傳熱學中研究的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。

七、熱量傳遞的基本方式

（一）熱傳導 熱傳導是溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的現象，可以在固體、液體、氣體中發生。導熱的特點有：（1）必須有溫差；（2）物體直接接觸；（3）依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；（4）不發生宏觀的相對位移。氣、液、固體有不同的導熱機理 ，氣體導熱是氣體分子不規則運動時相互碰撞的結果；導電固體是由于自由電子運動 ，非 導電固體是由于晶格結構振動； 液體兼有氣體和固體導熱的機理 。導熱服從傅立葉定律。

，式中F為單位時間傳遞的熱量，q為單位時間通過單位面積傳遞的熱量，A為垂直于導熱方向的截面積，l為導熱系數，表征材料導熱能力的大小，與材料種類和溫度有關，一般情況，l金屬>l非金屬>l液體>l氣體，負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。（二）對流 當實際流體流過物體表面時，由于粘性作用，緊貼物體表面的流體是靜止的，熱量傳遞只能依導熱的方式進行；離開物體表面，流體有宏觀運動，熱對流方式將發生作用，對流換熱是熱對流和導熱兩種基本傳熱方式共同作用的結果。流體中有溫差 ， 熱對流必然同時伴隨著熱傳導，自然界不存在單一的熱對流 。在日常生活及工程實踐中，人們遇到更多的是流體流過一個溫度不同的物體表面時引起的熱量傳遞，這種情況稱為對流換熱。（三）熱輻射 熱輻射是由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞能量的現象。熱輻射特點有：（1）任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；（2）可在真空中傳播；（3）伴隨能量形式的轉變；（4）輻射能與溫度和波長均有關。黑體（Black body）是能全部吸收投射到其表面輻射能的物體，其輻射能力與吸收能力最強。黑體向外發射的輻射能滿足斯蒂芬-玻爾茲曼定律：____________________________，Eb絕對黑體輻射力，T黑體表面的絕對溫度，________________為斯蒂芬-玻爾茲曼常數。

通過本文對熱量的討論，將熱量知識點穿成線進行闡述，使學生對熱量有較為深入、全面的認識，提高其分析熱量相關問題的能力。

參考文獻

[1]李椿，章立源，錢尚武.熱學[M].第二版，北京：人民教育出社，2010.244-258.

[2] 趙凱華.熱學[M].第二版，北京：高等教育出版社，2005.212-225.

作者簡介：韓文娟，（1975-），女，漢，河北保定，教授，碩士，主要從事量子多體理論的研究。endprint