熱能

熱能（英語：thermal energy）在熱力學上，是存在於熱力學系統（或物體）內能的一種形式，是其處於「熱平衡」時的「熱力學能」。熱能的宏觀表現，為該系統或物體的溫度；微觀上來看，熱能是由於其構成原子或分子無序運動而產生的能量，也是其以顯熱或潛熱的形式所表現的能量。

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（正如作功(work)是另一種類型的能量轉移）。熱量和功取決於能量轉移發生的方式。

傳播

熱是一種能量的表現方式，所以熱的傳播就是熱能的轉移。並由高溫向低溫流動。轉移方式有三種:

1. 傳導，是一個分子向另一個分子傳遞通過振動傳遞能量的傳熱方式。傳導速率因介質的比熱和狀態有關而異，同介質固體>液體>氣體。固體、液體、氣體皆可呈現。
2. 對流，是流體內部分子運動所導致的傳熱方式
3. 輻射，是以波或次原子粒子傳遞的方式

熱功當量

功與能量的單位是焦耳，熱量的單位是卡，1卡就是讓1公克的水從14.5 °C 升至15.5°C所需的熱量。英國人焦耳在1837~1847年間，以一連串的實驗證實了熱量與功之間可以互相轉換，並定出了它們單位之間換算的比值。

定義式

熱水中一個粒子的熱能是：

${\displaystyle U_{thermal}=f\cdot {\frac {1}{2}}kT.}$

其中f是指自由度，T指溫度，K為波爾茲曼常數。例如，在理想氣體中的一個粒子有三個自由度，因此，

${\displaystyle U_{thermal,monatomic}={\frac {3}{2}}kT.}$

總熱能為在系統中所有粒子的熱能總和。因此，對於一個有N個粒子的系統，

${\displaystyle U_{thermal}=N\cdot f\cdot {\frac {1}{2}}kT.}$

請注意，U_thermal只是總系統能量的一部分，一些能量不隨溫度而改變，如勢能、鍵能或不變質量（E=mc²）。

與熱量和內能的關係

熱量是自發地從較熱的系統或物體傳遞的能量。熱量是轉移的能量，而不是系統的性質，或者「包含」在系統的邊界內。另一方面，內能是系統的性質。在理想氣體中，內能是氣體粒子的動能的統計學平均值，作為動力學運動是動力源，也是導致跨越系統邊界的熱量傳遞的原因。在這個意義上，理想氣體的內能可以被認為是「熱能」。然而，在這種情況下，熱能和內能是相同的。

比理想氣體更複雜的系統（如真實氣體）可能會發生相變。相變可以改變系統的內能而不改變其溫度。因此，熱能不能僅由溫度來定義。熱能也不能通過內能和系統內外的淨熱傳遞之間的差異來定義，因為它很容易構建系統開始和結束於完全相同狀態的熱力循環，但是有一個淨循環過程中進出熱量。這些循環可以在相當小的發電機上引起，從而產生轉子以旋轉和發電。這被稱為發電。

由於這些原因，系統的熱能概念不明確，不用於熱力學。

歷史背景

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）在1847年題為「物質，生命力和熱力」的演講中，描述了與熱能和熱量密切相關的各種術語。他將「潛熱」和「明熱」這兩個術語分別定義為各種不同的物理現象，即分別是潛在和動能。他將潛在能量描述為在給定的顆粒構型（即潛在能量的形式）中的相互作用的能量，以及由於熱能而由溫度計測量的能量影響溫度的顯熱，他稱之為活力。

參考文獻

參見條目

• 焓
• 熵
• 熱傳遞
• 熱力學
• 海水溫差發電