韓文娟+劉海

摘 要：通過(guò)討論熱學(xué)中熱量的本質(zhì)及熱量傳遞的基本方式等內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)熱量能有較深入、全面的認(rèn)識(shí)，提高其分析熱量相關(guān)問(wèn)題的能力。

中圖分類(lèi)號(hào)：O414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）12-0-01

引言

熱量的認(rèn)識(shí)發(fā)展過(guò)程中，典型的有18世紀(jì)盛行的熱質(zhì)說(shuō)（clarioric said ）（認(rèn)為熱是一種特殊的物質(zhì)，由沒(méi)有重量的細(xì)微粒子組成，可從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體，其數(shù)量是守恒的，熱質(zhì)的粒子互相排斥，從而使物體帶有膨脹的性質(zhì)）和以戴維、倫福德為先軀的熱動(dòng)說(shuō)（thermal said ）（認(rèn)為熱是組成物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)）?，F(xiàn)在大家熟知熱量（Heat Transfer）是系統(tǒng)之間或系統(tǒng)與外界之間由于熱相互作用而傳遞的能量。但筆者在《熱學(xué)》教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)熱量的認(rèn)識(shí)依然欠準(zhǔn)確，鑒于此，本文列舉出一些關(guān)于熱量不規(guī)范的說(shuō)法，將熱量知識(shí)點(diǎn)穿成線(xiàn)進(jìn)行分析闡述，使學(xué)生對(duì)熱量能有較為深入、全面的認(rèn)識(shí)。

一、熱量認(rèn)識(shí)

熱學(xué)教學(xué)和生活中對(duì)熱量有一些不規(guī)范的說(shuō)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(huì)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(gè)物體內(nèi)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(shuō)法都不恰當(dāng)，因?yàn)榛煜藷崃康谋举|(zhì)，對(duì)熱量的定義及本質(zhì)分析如下：（1）熱量是一個(gè)過(guò)程量，熱量傳遞的多少與其傳遞的過(guò)程、方式有關(guān)（例如：同初、終態(tài)時(shí)，同系統(tǒng)進(jìn)行等壓或等溫過(guò)程所傳的熱量不同）；（2）系統(tǒng)與外界之間發(fā)生能量傳遞時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)的溫度是否發(fā)生變化，都有熱量的交換過(guò)程.（如熱平衡態(tài)的物體間是等量的你來(lái)我往的熱量交換過(guò)程）；（3）熱量不是狀態(tài)量，不能說(shuō)系統(tǒng)含有多少熱量；（4）熱量是從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f，如果沒(méi)有其他能量形式的轉(zhuǎn)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(guò)程中，物體的溫度升高（或降低）單位溫度時(shí)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(guò)程進(jìn)行時(shí)，吸收熱量各不相同，故在不同過(guò)程中熱容也不同，所以一般情況下都應(yīng)該指明是什么過(guò)程中的熱容（如定體 、定壓過(guò)程中的熱容等）。

三、熱力學(xué)第一定律中的熱量

熱力學(xué)第一定律[2]為 Q=dU+A ，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，U為系統(tǒng)吸收的內(nèi)能， A為系統(tǒng)對(duì)外所作的功，以下理想氣體分析中，T為系統(tǒng)吸收的熱量，P為系統(tǒng)的壓強(qiáng)，V為系統(tǒng)的體積，H為系統(tǒng)的焓。

（1）等體過(guò)程

即系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。

（3）等溫過(guò)程

即系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外所作的功。

（4）絕熱過(guò)程 Q=0， 系統(tǒng)不吸、放熱量。

（5）如初態(tài)和終態(tài)相差很小，系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)無(wú)限小過(guò)程， 則熱一定律的形式為

，dQ為過(guò)程量，不能寫(xiě)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(guò)溫度更低的物體來(lái)冷卻；（2） 通過(guò)吸收潛熱（如汽化熱、吸附熱等）來(lái)降溫；（3）通過(guò)絕熱膨脹降溫釋放熱量 。

五、決定熱傳遞（熱傳導(dǎo)）的方向的內(nèi)因

圖 一中，初態(tài)：兩物體溫度不同，此時(shí)尚能按分子的平均動(dòng)能的大小來(lái)區(qū)分兩物體。 末態(tài)：兩物體溫度相同，此時(shí)已不能按分子的平均動(dòng)能的大小來(lái)區(qū)分兩物體。 熱傳導(dǎo)（分子在速度空間中分布得越分散，越無(wú)序），大量分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大了，熱量傳遞朝著無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。

六、熱科學(xué)中的傳熱研究側(cè)重不同

熱科學(xué)（Thermal Science）分為熱力學(xué)和傳熱學(xué)，熱力學(xué)中研究系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程中傳遞熱量的多少；傳熱學(xué)中研究的是熱量傳遞的過(guò)程，即熱量傳遞的速率。

七、熱量傳遞的基本方式

（一）熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)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(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象，可以在固體、液體、氣體中發(fā)生。導(dǎo)熱的特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；（4）不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移。氣、液、固體有不同的導(dǎo)熱機(jī)理 ，氣體導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果；導(dǎo)電固體是由于自由電子運(yùn)動(dòng) ，非 導(dǎo)電固體是由于晶格結(jié)構(gòu)振動(dòng)； 液體兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理 。導(dǎo)熱服從傅立葉定律。

，式中F為單位時(shí)間傳遞的熱量，q為單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量，A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，l為導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料導(dǎo)熱能力的大小，與材料種類(lèi)和溫度有關(guān)，一般情況，l金屬>l非金屬>l液體>l氣體，負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。（二）對(duì)流 當(dāng)實(shí)際流體流過(guò)物體表面時(shí)，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(dǎo)熱的方式進(jìn)行；離開(kāi)物體表面，流體有宏觀運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流方式將發(fā)生作用，對(duì)流換熱是熱對(duì)流和導(dǎo)熱兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。流體中有溫差 ， 熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對(duì)流 。在日常生活及工程實(shí)踐中，人們遇到更多的是流體流過(guò)一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)引起的熱量傳遞，這種情況稱(chēng)為對(duì)流換熱。（三）熱輻射 熱輻射是由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象。熱輻射特點(diǎn)有：（1）任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；（2）可在真空中傳播；（3）伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；（4）輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)。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(qiáng)。黑體向外發(fā)射的輻射能滿(mǎn)足斯蒂芬-玻爾茲曼定律：____________________________，Eb絕對(duì)黑體輻射力，T黑體表面的絕對(duì)溫度，________________為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

通過(guò)本文對(duì)熱量的討論，將熱量知識(shí)點(diǎn)穿成線(xiàn)進(jìn)行闡述，使學(xué)生對(duì)熱量有較為深入、全面的認(rèn)識(shí)，提高其分析熱量相關(guān)問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李椿，章立源，錢(qián)尚武.熱學(xué)[M].第二版，北京：人民教育出社，2010.244-258.

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

作者簡(jiǎn)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