热能

热能（英语：thermal energy）在物理或热力学中的定义尚未达成完全统一共识，因此建议谨慎使用该词以避免混淆^[1]。

根据热力学理论，热能通常被描述为热力学系统内能的一部分，特别是在热平衡或非相变条件下，与温度相关的能量部分^[2]。微观上，热能与构成物质的原子或分子的无序运动相关，包括分子动能和分子间势能，可能表现为显热（如水加热）或潜热（如冰融化）^[3]。然而，内能的改变并不总是伴随温度变化，例如在相变过程中^[4]。

在热力学中，能量转移分为“热”和“功”两种形式：“热”由温度差引起，“功”由力与位移作用产生^[5]。

由于这些区别，热能的用法在科学文献中可能与“热量”、“内能”或“分子动能”有所重叠，故具体所指要因上下文而异。

热传播

热（Heat）是能量传递的一种方式，特指由温度差引起的能量转移过程^[6]。热的传递有三种基本方式：

• 热传导：能量通过粒子间的振动或碰撞，在物质内部由高温处传至低温处的过程。无需物质整体移动。常见于固体，传导效率为固体 > 液体 > 气体，主要取决于材料的热导率而非比热^[7]。例：金属棒一端加热，另一端变热。
• 对流：热随着流体（气体或液体）本身的移动而传递。包括自然对流（因密度差）与强制对流（如风扇推动空气）^[8]。例：热汤中的水流上下循环。
• 辐射：热以电磁波形式（主要为红外线）传递，不需介质，可在真空中进行^[9]。例：阳光穿越太空加热地球。

热功当量

功与能量的单位是焦耳，热量的单位是卡，1卡就是让1公克的水从14.5 °C 升至15.5 °C所需的热量^[10]。英国人焦耳在1837~1847年间，以一连串的实验证实了热量与功之间可以互相转换，并定出了它们单位之间换算的比值^[11]。

热能的简单定义

在热力学中，一个粒子因为温度而具有的能量，称为热内能（thermal energy）^[12]。这个热内能可由以下公式估算：

${\displaystyle U_{\text{thermal}}=f\cdot {\frac {1}{2}}kT}$

其中，${\displaystyle f}$ 表示该粒子的自由度（degrees of freedom），即粒子可运动的方向或方式（例如在三维空间中可前后、左右、上下移动，共三个自由度）^[13]；${\displaystyle T}$ 为绝对温度（单位为 K，开尔文），${\displaystyle k}$ 为玻尔兹曼常数（Boltzmann constant）^[14]。

例子：对于理想气体中的单原子粒子（例如氦气），其可在三个方向自由运动，因此平均热能为：

${\displaystyle U_{\text{thermal}}={\frac {3}{2}}kT}$

这表示每个粒子的平均热能与温度成正比，温度越高，粒子的热能越大^[12]。

总热能：若气体中含有 ${\displaystyle N}$ 个粒子，则整个系统的总热内能为：

${\displaystyle U_{\text{thermal-total}}=N\cdot f\cdot {\frac {1}{2}}kT}$

这是“等分原理”（equipartition theorem）的应用结果，适用于具有经典行为的热平衡系统^[15]。

需要注意的是，这里的“热能”仅表示粒子因热运动所具有的能量，并不包括系统中可能存在的其他能量形式，如势能（如重力势能）、键能（如化学键）、或质能（${\displaystyle E=mc^{2}}$）等^[16]。

热量、内能，与热能的区别，以及“热能”概念的模糊性

热量（Heat, 𝑄）: 当两个物体之间存在温差时，能量会自发地由高温物体传向低温物体，这种因温度差而转移的能量，称为“热量”。热量是能量传递的一种形式，只能在系统之间由于温度差而发生，不是某个系统内部固有的性质。因此，我们说某物“含有”热量是不正确的^[17]。

内能（Internal energy）是系统的一种性质，与系统内粒子的运动状态（分子动能、分子间势能）有关。对于理想气体而言，内能主要来自粒子的动能，这种动能与温度成正比，因此内能和温度有明确关系^[18]。在这个特殊情况下，有人将理想气体的内能统称为“热能”，但这种说法只在特定语境中才合理^[19]。

然而，对于更复杂的系统（如真实气体或含有相变的物质），内能不再单纯与温度成正比。例如在冰融化、水沸腾这类相变过程中，内能会改变，但温度却不变，因此无法只用温度来定义“热能”^[20]。

此外，在一些热力学循环过程中，系统的起点与终点状态相同，内能变化为零，但过程中却发生了净热量传递与做功（例如热机发电）。这进一步说明，热能与内能的关系并非一一对应，所谓“热能”也就无法被清楚定义^[21]。