二、热能的量度
温度和热量是反映热炁流的两个重要的物理量。
1、温度。
温度是对物体的冷热程度的量度。物体的温度是对分子热运动平均动能的量度,是分子平均动能的标志,反映了分子平均动能的变化。在一定的温度下,物质的平均动能是一定的,同物态无关。分子的热运动同温度有关,温度升高或者降低,标志着分子热运动增强或者减弱,即分子是平均动能增加或者减少,用公式表示为:
E=KT
炁学提示:温度是对热炁流的紊乱程度(热炁流的强度)的量度,也就是对热炁流的能级高低的量度。静止的炁体没有流动性,也就是没有波动性和紊乱性(紊乱度为零),所以温度为0K。从场炁流开始都有流动性(紊乱性),所以开始有温度,都能够用温度表示。炁流的频率越大,说明紊乱度越大,温度越高。炁体流动越紊乱则温度越高。分子热运动强就是分子的平均动能大,就是热炁流能量高,温度就高。
2、温度计。
我们用温度计测量物体的温度。温度的表示方法有摄氏温度(百分温标)和绝对温度(绝对温标)两种。常用的温度计是利用液体的热胀冷缩性质制成的,有水银温度计和酒精温度计两种。水银温度计测量范围是-39到140℃,酒精温度计的测量范围是-114到80℃。利用水的物态变化温度0度(水的冰点)和100度(水的沸点)为刻度,进行百分分度。这样的温标叫做百分温标、摄氏温标,用t表示,单位是摄氏度、℃。摄氏温标是由瑞典的摄氏斯创立的。这样的温度计叫做摄氏温度计。温度计的刻度有所不同,实验用的温度计到140℃,家庭用的温度计(寒暑表)到50℃,医用温度计(体温计)为34到42℃,是人体温度变化范围。还有最高温度计(属于水银温度计)和最低温度计(属于酒精温度计),是气象台专用的。绝对温度是由英国的威廉·汤姆孙(开耳芬,1824~1907)创立的,叫做绝对温标、开氏温标,用T表示,单位是开、K,其零度叫做绝对零度,为-273.15℃。
T=273.15+t
炁学提示:温度为0K时为炁体没有流动,温度越高炁体流动越猛烈。绝对温度是以炁体为基准的温度,相对温度是以液体为基准的温度。
3、热量。
热量是量度物体内能改变的物理量,表示了物体在热传递过程中内能的变化量,是由于温度差别所引起的内能转移的量度。热量总是从高温处流向低温处,直到温度相等。热量单位是卡(卡路里),1卡是使1克纯水升温1℃(准确地是从温度14.5℃升高到15.5℃)所需要的热量。1千卡(大卡)=1000卡(小卡)。
炁学提示:热量是热炁流的数量,也就是炁子转变成热炁流的数量。温度差反映的是热炁子能级的改变,能级变化大就说明生产的热炁流就多,热量就大。热炁流总是从炁子能级高的地方流向能级低的地方。
4、燃料和燃烧值。
燃料是能够燃烧产生大量的热能的物体,有固体燃料(例如煤、炭、柴草、油脂、燃冰、核燃料)、液体燃料(例如汽油、石油、煤油、酒精)和气体燃料(例如煤气、沼气、氢气、乙炔)。热炁流的来源还有来自星球的太阳能和地热等。物体相互作用时会有相变热、反应热、燃烧热、生成热、溶解热、混合热等化学热现象发生,这些都可以作为热炁流的来源。任何燃料中的化学能(热能)都是由太阳能转变而来的。
能源对社会发展起到重大的推动作用。地球的能源有:常规能源(煤、石油、天然气、水力、生物能)和新能源(核能、地热、海洋能、太阳能、沼气、风能)、再生能源和不可再生能源(一次能源和二次能源)、化学能和机械能。核能在1950年段才开始利用。1公斤铀生产的能量相当于2500吨标准煤,1公斤氘氚生产的能量相当于铀的五倍。煤是植物形成的,石油是低等生物形成的。每秒钟到达地面的太阳能相当于60亿吨标准煤,主要消耗在大气(风能)、水循环(水能)和植物(生物能)上。地球上每年的风能相当于3200亿吨标准煤。氢、甲醇、乙醇、核能等新能源的出现,有望解决能源紧缺问题。
燃料燃烧放出的化学能形成了热能,表示放热能力的是燃烧值。1公斤的某种燃料完全燃烧所产生的热量叫做这种燃料的燃烧值,单位是千卡/公斤。普通物体的燃烧值在3000到11000之间,例如原煤发热量规定为5000千卡/公斤,石油为10000千卡/公斤,天然气为9310千卡/立方米。我们把烟煤叫做标准燃料,把烟煤的燃烧值7000千卡/公斤叫做标准燃烧值,含7000千卡热量的燃料定为1公斤标准煤。
热量的计算公式:
Q=qm
其中q、m分别为燃料的燃烧值和质量。
燃烧技术。火技术包括生火、用火、保存火、灭火等,广泛应用于火药、炸药、饮食、生活、生产、军事、冶炼、发电、火力等方面。人类使用的能源有90%以上是通过燃料燃烧生产的,如何高效、清洁、经济、安全地使用燃料是很重要的。近代燃烧学的发展同航空航天技术有关,同环境污染和能源危机也有关,对燃料和燃烧的要求更加严格了。从粗放燃烧到精细燃烧、科学燃烧的发展,热效率几乎达到了燃烧技术的极限。中国煤的消耗量占能源总量的76%,有80%的煤是直接燃烧的,热利用效率在70%以下,是SO2和粉尘的主要来源,分别占90%和70%,是主要的污染源。其次是石油,石油燃烧会产生大量的有毒有害气体(例如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物)而污染环境。
5、热效率。
有用的热量同燃料完全燃烧所产生的热量之比,叫做燃烧装置的热效率。
η=(Q1/Q)×100%
6、热容量。
使物体温度升高1℃所需要的热量叫做物体的热容量。
炁学提示:热容量就是容纳热炁流变成炁子内能的能力。
7、比热。
比热是单位质量的物体的热容量,就是使单位质量的物质温度升高1℃所需要的热量,单位是卡/克·度。定义公式:
c=Q/m(t2-t1)
一般物质的比热:水的比热比任何固体和液体大得多,为1.0,其它液体和固体都在0.56以下,冰是0.5。气体的比热要大一些,例如氢气是3.41,氦气是1.26。
比热用量热器(卡计)测量。量热器还可以用来测定火焰的温度。计算公式如下:
c=(c1m1+c2m2)(t-t1)/m(t2-t)
其中,c1和m1为水的比热和质量,c2和m2为量热器的比热和质量,t1为水和量热器的起始温度,待测物体的质量、比热和温度为m、c和t2,最后的稳定温度是t。
8、热功当量。
这是反映热和功关系的物理量。1840~1849年,英国的焦耳进行了一系列的科学实验,测定出了热功当量值:
J=W/Q=4.18焦耳/卡=427公斤·米/千卡
1卡=4.18焦耳,1千卡=427公斤·米
炁学提示:热功当量是热炁流转化成功或者其相反过程的等价关系。