5-3 熱能與微觀尺度的能量轉換
5.3.1 熱能的定義與傳遞方式
熱能的定義
熱能是指兩個溫度不同的物體之間，由於溫度差異而轉移的能量。
熱能的傳遞方式
熱能的傳遞方式主要有三種：
- 熱傳導：當兩個不同溫度的物體接觸時，熱能會從高溫物體傳遞到低溫物體。例如，將熱鍋放在冷水裡，鍋的熱能會傳遞給水，導致水溫升高。
- 熱對流：熱能透過流體（液體或氣體）的運動傳遞。例如，燒開水時，底部的水受熱後密度變小而上升，周圍較冷的水則下降補充，形成對流。
- 熱輻射：物體以電磁波的形式向外傳遞熱能，例如太陽輻射。
問題 1：
哪種熱傳遞方式不需要介質即可進行？
解題策略：
想一想太陽的熱是如何傳遞到地球的，哪種方式可以在真空中傳遞熱能。
問題 2：
為什麼金屬勺子放在熱湯中，勺柄會變熱？這是什麼熱傳遞方式？
解題策略：
考慮金屬是良導體，熱如何從湯傳到勺柄的。
問題 3：
暖氣片加熱房間空氣，主要是通過哪種熱傳遞方式？
解題策略：
想一想空氣受熱後會發生什麼現象，熱如何在氣體中傳遞。
5.3.2 熱量
定義
熱量是物體在熱傳遞過程中吸收或放出的熱能。
單位
常用單位為卡路里（cal）或焦耳（J）。
計算公式
公式： Q = m × s × ΔT
- Q：吸收或放出的熱量
- m：物體質量
- s：比熱
- ΔT：溫度變化
問題 4：
一塊質量為 2 kg 的鐵塊，溫度從 20°C 加熱到 50°C，已知鐵的比熱為 0.45 kJ/(kg·°C)，求吸收的熱量。
解題策略：
使用 Q = m × s × ΔT，將各個已知值代入，注意單位換算。
問題 5：
將 500 g 的水從 25°C 加熱到 75°C，需要多少熱量？（水的比熱為 4.18 J/(g·°C)）
解題策略：
同樣使用 Q = m × s × ΔT，注意質量單位是克，計算後的熱量單位是焦耳。
問題 6：
若某物體吸收了 5000 J 的熱量，導致溫度上升了 10°C，質量為 2 kg，求該物體的比熱。
解題策略：
重新整理公式求 s，即 s = Q / (m × ΔT)。
5.3.3 焦耳實驗與熱功當量
焦耳實驗
英國物理學家焦耳設計了一個實驗，利用重物落下帶動葉片攪拌水：
- 將重物的重力位能轉換為水的熱能。
- 測量水溫的變化並比較重物減少的重力位能，證明熱能也是能量的一種形式。
熱功當量
實驗結論表明：
- 1 卡的熱量相當於 4.186 焦耳的功（約 4.2 焦耳）。
問題 7：
在焦耳的實驗中，重物的重力位能減少了 418.6 J，水溫升高了多少卡路里？
解題策略：
使用熱功當量關係，1 cal = 4.186 J，將焦耳換算成卡路里。
問題 8：
若水吸收了 21093 J 的熱量，這相當於多少卡路里？
解題策略：
同樣使用 1 cal = 4.186 J，將焦耳換算成卡路里。
問題 9：
如果 500 cal 的熱量轉換為功，能做多少焦耳的功？
解題策略：
使用熱功當量，將卡路里換算成焦耳。
5.3.4 熱能的巨觀與微觀表現
巨觀表現
在巨觀尺度下，透過溫度變化觀察熱能的傳遞：
- 高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，直到達到熱平衡。
微觀表現
在微觀尺度下，熱能是物質內部所有原子和分子的動能和位能總和：
- 理想氣體模型：假設氣體分子本身的體積可忽略不計，分子之間無交互作用。
- 熱能與分子動能：理想氣體的熱能等於所有氣體分子動能的總和，且溫度越高，分子的平均動能越大。
問題 10：
為什麼溫度越高，氣體分子的平均動能越大？
解題策略：
回想溫度在微觀上是如何定義的，與分子運動有何關係。
問題 11：
在理想氣體中，熱能主要與什麼有關？
解題策略：
考慮理想氣體模型的假設，分子之間無交互作用。
問題 12：
熱平衡是什麼狀態？
解題策略：
想一想熱傳遞何時會停止，系統達到什麼條件。
5.3.5 微觀尺度下的能量轉換
微觀粒子的能量
熱能是原子和分子動能與位能的總和：
- 隨機運動的粒子帶有動能。
- 粒子間的相互作用力則代表位能。
能量的轉換
例如摩擦雙手時：
問題 13：
為什麼摩擦會產生熱？
解題策略：
思考能量如何從有序轉換為無序，摩擦過程中能量如何轉變。
問題 14：
在微觀尺度下，熱能包含哪些部分？
解題策略：
回想熱能在微觀上的定義，涉及哪些粒子能量。
問題 15：
為什麼巨觀力學能可以轉換為熱能？
解題策略：
思考能量守恆定律，能量形式之間如何轉換。
5.3.6 有序能量與無序能量
有序能量
作功能力較強，例如運動中的物體的動能。原子和分子以一致的方式運動。
無序能量
作功能力較弱，例如熱能。原子和分子的運動方向隨機。
能量轉換與作功能力
能量自發從有序轉變為無序，作功能力降低。例如燃料燃燒產生的熱能，僅部分轉換為可利用的功，其餘以廢熱形式散失，難以再利用。
問題 16：
為什麼熱能被稱為無序能量？
解題策略：
比較微觀粒子的運動方式與宏觀物體的運動方式。
問題 17：
能量從有序轉變為無序時，作功能力如何變化？
解題策略：
想一想熱力學第二定律和能量利用效率的概念。
問題 18：
為什麼燃料燃燒時，只有部分熱能能轉換為機械功？
解題策略：
考慮熱機效率和熱力學定律對能量轉換的限制。