发布日期：2024 年 3 月 8 日
撰稿人：Tom Krantz、Alexandra Jonker
热能是指由分子和原子的随机运动在某一系统内产生的能量。随着运动的加剧，产生的能量便越多。此能量会以热量的形式进行传递。
热能从一个系统流向另一个系统是热力学这一物理学分支的基础。凭借在热力学领域的发现，科学家们在整个物理科学领域取得了创新性的飞跃。如今，这些发现正在帮助推动替代能源新时代的到来。
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“热能”一词的起源可追溯到古代（约公元前 500 年）。然而，它的发现却通常会归功于 19 世纪的英国物理学家、数学家兼酿酒师 James Prescott Joule。
Joule 进行了机械能转换实验，并注意到他越是操控某一物质的速度，它就越热。通过观察摩擦与化学反应的温度变化，Joule 发现能量能以不同形式来呈现（例如，热量），且热量与机械功（通过施加外力而传递到物体或从物体内传出的能量）之间存在直接关联。
Joule 及其发现在他的职业生涯中一直受到怀疑。然而，我们现在却用“焦耳”（国际单位制（SI 单位）中的能量单位）来测量一个系统所做的功。他的发现为能量守恒定律奠定了基础，而该定律指出，孤立系统的总能量会保持恒定。此发现推动了热力学第一定律的产生。
在四门物理科学中，热力学是物理学的其中一个分支，它专注于研究热量、功和温度，并深入了解它们与能量、熵以及物质和辐射等物理性质的关系。而在这些元素之间观察到的行为则符合四大定律：
最初，第零定律未被视为一项独立的热力学定律，因为它隐含在其他三条定律中。该定律重点关注热平衡，即当两个临近的物体达到同一温度时便不再进行热能交换（试想热水与凉水杯均达到室温时的情况）。该定律规定，如果有两个系统各自与第三个系统处于热平衡状态，则这两个系统相互之间也会处于热平衡状态。在很多方面，第零定律均会作为一个传递属性来发挥作用。
热力学第一定律的公式表达形式是对能量守恒定律的一个表达。它指出，能量既无法被创造也无法被毁灭，且只能从一种能量形式转化为另一种能量形式。因此，系统内的热量等于热源产生的热量。
热力学第二定律以最简单的形式指出，热量会自发从较热的区域流向较冷的区域。但是，它否认了相反的情况：热量不会自发从较冷的区域流向较热的区域。这一区别是其中的关键所在，因为它将熵（系统中的混乱程度或不确定性）的概念确立为一种物理性质。熵会不断上升，直至达到热平衡的高度。
虽被视为不可能，但热力学第三定律却指出：当系统的温度接近绝对零度时，系统的熵便会接近最小值。在绝对零度的概念中，系统内的所有活动均会停止，但此条件被视为不可能实现，因为分子永不可能绝对静止。但是理论上，零点或最低可能温度则为采用开尔文温标的 -273.15 摄氏度（或 -459.67 华氏度）。
能量可分为动能或势能。动能可通过物体的运动来测量，且与质量和速度有关。势能是指物体基于若干因素而进行移动的概率，例如它的位置（该物体是悬浮在空中还是位于地面？）、属性（该物体是由什么物质组成的？）以及它与其他物体的关系（其他物体是否会导致它移动？）。
比如，有一颗球悬挂在一根绳子上。当球悬垂时，它便会储存势能。它没有在运动，但有可能会运动，因为重力作为一种位势力作用在它身上。如果将绳子剪断而球也落下，它便会产生动能，因为此时它是一个运动的物体。势能和动能的部分典型示例包括：
储存在原子与分子键中的能量。
原子内储存的能量，而该能量可将原子核聚集在一起。
根据物体在引力场中的位置而储存在物体内的能量。
通过名为电子的带电粒子而传递的能量。
通过电磁辐射而传递的能量。
通过热量或原子运动而传递的能量。
热能是指系统内的总动能，而它能以振动、旋转或平移动能的形式来观测。但是，此外还存在一种“隐藏的”（更确切而言则是“微观的”）能量；它会以内能的形式存在，且它会考虑系统中的所有粒子，同时还会考虑动能和势能。
热能可通过三种方式进行传递：传导、对流和辐射。为了更好地理解每种方式的工作原理，我们将以炉子上的一壶沸水为例。
- 传导是指能量通过固体材料进行流动。当火焰加热水壶时，能量会流遍整个物体并提高其表面温度。
- 对流是指通过流体运动而产生的能量流动。当水壶变热时，水会自行根据温差进行调节。当冷水被向下拖拽时，热水便会上升到顶部，从而形成一种名为“流体质量运动”的环流。
- 辐射是指能量通过波形进行流动。火焰产生的动能会通过电磁波进行传导，且一旦接触到物体（在本例中为水壶）便会转化为热量。
在本例中，分散的热量会通过三种状态来移动：固态、液态和气态。热能可改变每个状态下的物体，甚至还可根据施加的热量而引发相变。它具体取决于潜热和显热。
潜热是指触发相变（将沸水变为蒸汽）所需的热量或能量。显热是指提高物质温度所需的能量（使水壶变得更烫的火焰）。每个物体均有自身的比热容；即，将温度升高 1 摄氏度所需的热量。水具有较高的比热，这意味着需要大量能量才能提高其温度；而空气的比热则较低，因为气体通常具有较低的比热容。
热能通常可以与热量互换使用，但两者之间也存在细微差别。热能是指系统内分子和原子的运动所产生的能量。而另一方面，热量是指热能从一个系统到另一系统的转移或流动。热能和热量均以焦耳作为测量单位。
温度是指系统内产生的平均动能，并以摄氏度、华氏度、开尔文或兰氏度为单位。其中须注意的是，温度记录的是物体在特定时间的“热度”或“冷度”，而不是其能量。例如，温度无法反映系统释放的热量。
思考这三者相互关系的另一种方式则是：热能是指系统中的总能量，热量是指从该系统传导到另一系统的能量流，而温度则是分子的平均动能。
太阳能是通过收集并汇聚太阳光线而产生的。通过使用反射器和接收器，太阳的能量可被放大并指向填充有传热流体的管子。此过程可激活水轮机，从而产生电能。
地热能存在于地壳中，因此它是一种储量丰富的资源。它通过向地下深入钻探可能流入热水的储层来获取。此类热水会被加以利用，并用于驱动可发电的涡轮机。
海洋热能转换 (OTEC) 利用海洋温度的变化（表面较暖，深处较冷）来产生有用功（通常是以电力的形式存在）。鉴于海水丰沛且其容量较高，OTEC 被广泛视为一种可行的替代方案。
将热能用作可再生能源可成为广大公司实现其能源管理战略多样化的有效途径。而更为重要的是，它可帮助企业通过减少消耗和改善节能来减轻对地球的进一步破坏。
可再生能源是由自然资源产生的能源，其补充速度快于使用速度。
下面，我们将快速了解不同形式的可再生能源发电是如何演变的，从而实现全球能源行业与全球能源供应的多样化。
能源管理是指对组织的能源消耗进行主动、系统地监测、控制和优化，从而节约能源消耗并降低能源成本。