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主要内容

什么是热能?

学习热能是什么以及如何计算它。

热能是什么?

热能 是指一个系统内包含的能量,决定该系统的温度。热能的流动就是热量。物理学中的一大分支 热力学,就是在研究不同系统之间的热量传递的规律(见 热力学第一定律)。
在研究机械运动时,我们通常看到热能的作用是确保 能量守恒。真实世界中物理系统的能量转换几乎全都低于100%,这会导致一些热能的产生。这些热能通常属 低阶 的热能。这里的低阶是指产生热能的系统温度跟环境温度相差不大。只有在温度差异较大的时候才有可能做功,因此低阶热能意味着能量转换'已到尽头'。继续有意义的做功已无可能,能量现在算是'散逸到环境中'了。

摩擦产生的热能

举个例子,一个人匀速在粗糙的地板上向前推箱子,如图1所示。由于 摩擦力非保守力,所做的 并没有转化成势能。由摩擦力所做的 所有 的功,都转化成了箱子-地面系统的热能。这些热能作为热量流入箱子-地面系统,最终提高了这两个物体的温度。
图 1: 一个人在有摩擦的地面上推箱子。
要计算箱子-地面系统总热能的变化 ΔET ,可以通过计算人在推箱子时摩擦力的总做功得出。箱子是匀速向前运动的,这意味着箱子受到的推力和摩擦力大小相等。因此,这两个力所做的功也相等。
物体移动距离为 d 时,与物体运动方向相同的力所做的 的大小为:
W=Fd
ΔET=Fd
如果 滑动摩擦 的摩擦系数是 μk ,那么上式可以写成:
ΔET=μkFnd
练习 1a: 如图1,假设人推箱子匀速前进。箱子的质量为 100 kg 且移动距离为 100 m。箱子和地面的滑动摩擦系数 μk=0.3箱子-地面系统获得了多少热能?
练习 1b: 当人在推箱子时,他靠的是鞋底和地面的摩擦力才能向前。那么在推箱子的过程中,他的鞋子的热能有什么变化?

阻力产生的热能

物体在空气或水这样的流体中受到的 阻力 是另一种非保守力。
当物体在流体中运动,物体的一部分动量会传递到流体中,导致物体周围流体物质的运动。当物体停止运动后,流体仍然会运动一段时间,然后运动会停止。这是因为大规模的流体运动最终分散开,分布成流体分子的较小的随机运动。流体分子的这种运动就体现了系统热能的增加。
图2中有一个装满水的隔热水箱,一根长轴带着两片叶片伸入水中,共同组成一个系统。在这个系统中,长轴转动所做的功全部都转化为水的动能。如果过一段时间我们关闭长轴的动力,水里仍然有残余的运动。然而,水的运动最终会停止,动能会转化为水的热能。
有趣的是, 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 (1818 – 1889)—— 国际单位制中的能量单位就是以他的名字命名—— 就曾使用过一个跟图2的装置相似的系统。把螺旋桨装置放在一桶鲸油中,利用重物下落来旋转螺旋桨,焦耳就可以确定机械能和热能之间的关系。这个实验奠定了能量守恒定律和 热力学第一定律 的基础。
图 2: 在水箱中旋转的螺旋桨。
练习 2a: 如果图2中的长轴用 10 W 功率的电机驱动,运行了30分钟,问有多少热能转化到水中?
练习 2b (附加题): 如果开始时水箱中有 1 L 温度为 10C 的水,那么在电机结束运行,并且水也停止运动之后,水温是多少?

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