热能 思维导图
中心主题：热能
（图片来源网络，侵删）
一级分支 1: 基本概念
- 定义
- 本质: 物体内部所有分子、原子的无规则运动的动能和分子势能的总和。
- 微观视角: 分子热运动的剧烈程度，温度越高，分子运动越快，热能越大。
- 宏观视角: 物体能量的一种形式，与物体的温度、质量和物态有关。
- 与温度的区别
- 温度: 物体冷热程度的宏观度量，是分子平均动能的体现，是状态量。
- 热能: 物体内部所有分子热运动的总能量，是过程量。
- 关系: 温度是决定热能多少的一个重要因素，但不是唯一因素，一杯100℃的水和一桶100℃的水，温度相同，但热能后者远大于前者。
- 与内能的关系
- 内能: 物体内部所有分子动能和势能的总和。
- 热能: 通常指内能中与分子热运动相关的部分，即分子动能。
- 联系: 在很多情况下，尤其是在讨论热传递时，热能可以近似看作内能的一部分，内能还包括分子间的势能（与物态、体积有关）。
一级分支 2: 基本物理量
- 温度
- 定义: 表示物体冷热程度的物理量。
- 单位:
- 摄氏度 (℃): 标准大气压下，冰水混合物为0℃，沸水为100℃。
- 开尔文: 热力学温标，国际单位制基本单位，0K = -273.15℃，它是热力学计算的基础。
- 热量
- 定义: 在热传递过程中，物体吸收或放出能量的多少，它是能量转移的量度。
- 单位: 焦耳。
- 核心: 热量只在温度差存在时，在热传递过程中才有意义，物体本身“含有”热量是不严谨的说法，应该说“含有热能”。
- 比热容
- 定义: 单位质量的某种物质，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。
- 物理意义: 反映了物质自身吸收或放出热本领的强弱，比热容越大，改变其温度越难（如水）。
- 公式:
Q = c · m · ΔTQ: 热量c: 比热容m: 质量ΔT: 温度变化量
- 常见物质比热容: 水的比热容最大（4.2×10³ J/(kg·℃)），这也是沿海地区冬暖夏凉的原因之一。
一级分支 3: 热传递
- 定义: 热量从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传到低温部分的过程。
- 三种基本方式
- 热传导
- 定义: 热量通过物质的直接接触，从分子较热的部分传递到较冷的部分。
- 特点: 主要发生在固体中，液体和气体中也有。
- 例子: 金属棒的一端加热，另一端变热；手握冰块感觉冷。
- 对流
- 定义: 依靠液体或气体本身的流动来传递热量的方式。
- 特点: 主要发生在液体和气体中。
- 例子: 烧水时，底部热水上升，冷水下沉，形成对流；空调的冷气下沉。
- 热辐射
- 定义: 物体以电磁波的形式直接向外发射热量的方式。
- 特点: 不需要任何介质，可以在真空中传播。
- 例子: 太阳的热量传到地球；火炉烤热身体；红外线取暖器。
- 热传导
一级分支 4: 热力学定律
- 热力学第一定律 (能量守恒定律)
- 一个系统的内能增量等于外界对它做的功与它从外界吸收的热量之和。
- 公式:
ΔU = Q + WΔU: 内能增加量Q: 系统吸收的热量（吸热为正，放热为负）W: 外界对系统做的功（对系统做功为正，系统对外做功为负）
- 核心: 能量不能凭空产生或消失，只能转移或转化，第一类永动机（不消耗能量却能做功的机器）不可能实现。
- 热力学第二定律
- 克劳修斯表述: 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
- 开尔文-普朗克表述: 不可能从单一热源吸收热量，使之完全转化为功，而不产生其他影响。
- 核心: 自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，能量的转化和转移是有条件的（如需要温度差），第二类永动机（从单一热源吸热并全部用来做功的机器）不可能实现。
- 熵: 热力学第二定律的量化表述，是系统无序度的度量，孤立系统的熵总是趋向于增加。
一级分支 5: 能量转换与应用
- 热能与机械能的转换
- 热机: 将热能转化为机械能的装置。
- 原理: 利用燃料燃烧产生高温高压气体，推动活塞或涡轮做功。
- 例子: 汽油机、柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机。
- 效率: 热机做的有用功与它消耗的燃料完全燃烧所释放的热量的比值，任何热机的效率都不可能达到100%。
- 热机: 将热能转化为机械能的装置。
- 热能的利用
- 生活应用:
- 取暖: 火炉、暖气、空调制热。
- 烹饪: 炒菜、烧水、烤箱。
- 热水器: 电热水器、燃气热水器。
- 工业应用:
- 发电: 火力发电、核能发电（本质上是利用热能产生蒸汽驱动汽轮机）。
- 冶金、化工: 需要高温进行反应。
- 新能源技术:
- 地热能: 直接利用地下热能或发电。
- 太阳能热利用: 太阳能热水器、太阳能热发电。
- 生活应用:
一级分支 6: 现象与效应
- 热胀冷缩
- 定义: 一般物体在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的现象。
- 原因: 温度升高，分子运动加剧，分子间平均距离增大。
- 应用: 温度计、铁轨留缝隙、热套冷缩。
- 例外: 水在0-4℃之间是“热缩冷胀”（反常膨胀），所以冰浮在水面上。
- 物态变化
- 定义: 物质从一种状态（固、液、气）转变为另一种状态的过程。
- 与热能的关系: 物态变化通常伴随热量的吸收或释放，但温度保持不变。
- 吸热: 熔化、汽化、升华。
- 放热: 凝固、液化、凝华。
- 例子: 冰融化成水（吸热），水蒸气液化成水（放热）。
一级分支 7: 测量工具
- 温度计
- 原理: 利用物质的热胀冷缩等性质来测量温度。
- 常见类型:
- 液体温度计: 如水银温度计、酒精温度计。
- 热电偶: 利用两种不同金属接触点产生的电动势随温度变化的原理。
- 热电阻: 利用金属电阻值随温度变化的原理（如铂电阻）。
- 红外测温仪: 通过测量物体发出的红外辐射强度来推算温度。
（图片来源网络，侵删）
