熱量
熱量 (Heat)
國立臺灣大學化學系 葉德緯
當我們將一個高溫的物體和一個低溫的物體接觸的時候，可以觀察到高溫的物體溫度下降，而低溫的物體溫度上升，而造成這樣的現象的原因，就是因為有一個叫做「熱量 (Heat)」的物理量從高溫物體傳輸到低溫物體所造成。
根據熱力學第一定律 (First law of thermodynamics)，能量 (Energy) 於系統之間可以有兩種傳遞的形式，若是因為溫度的差異而造成自發性的傳遞，這些被傳遞的能量就是熱量；而其他形式被傳遞的能量，則被歸類為功 (Work)。另一種分類方法是，可以用力學 (Mechanics) 解釋的能量傳遞，歸類為功；不能用力學解釋的，則歸類為熱量。
我們現在已經知道熱量也是一種能量並且可以進行精準的換算，然而起先人們並未在熱量與能量之間建立嚴謹的關係，直到 19 世紀焦耳 (James Prescott Joule, 1818-1889) 發表了熱功當量 (Mechanical equivalent of heat) 實驗，兩者之間的數學關係才被建立起來，熱量原先的單位為卡路里 (Calories)，或簡稱卡 (cal)，而焦耳得到的結果是 1 卡約為 4.2 N-m。如今對於能量與熱量的單位統一用焦耳 (J) 作為國際標準單位，而熱功當量則被定義為 1 焦耳等於 4.186 卡，雖然仍有不少人習慣使用卡作為能量計量單位。
物體的運動也可以造成熱量產生，摩擦生熱就是一個日常生活常見的例子。想像用手壓著一個物體在粗糙平面上摩擦運動，而整個系統的溫度有些微上升。這個過程可以看成物體受到手的施力作正功而得到動能，又在移動中受到地板表面的摩擦力作負功，損失的物體動能使接觸面的溫度上升。當我們用手去接觸摩擦區域時，就會因為溫度的差異感受到熱量的傳遞。
圖一、以電爐煮水時，逐漸變成紅熱的高溫電熱線圈除了會經由熱傳導將熱量傳給鍋子，同時也會往周遭輻射出熱能。而鍋子中的水加熱達到沸騰時，鍋中翻滾的水以及上揚的水汽都是熱對流現象的展現。（臺灣大學物理系教授陳義裕繪）
熱量的傳遞機制可以分為三種：傳導 (Conduction)、對流 (Convection)以及輻射 (Radiation)（圖一）。前兩者是接觸性的熱量傳遞，而輻射是非接觸性的熱量傳遞，而這三種傳遞方式都需要溫度的差異才會發生。三種傳遞方式可以單獨發生，亦可以混合進行。只要有溫度的物體都會有熱量流出，根據動態平衡的觀念，當高溫的物體與低溫的物體放在一起的時候，高溫的物體流出熱量的速率比低溫的物體快，因此兩者最後會趨近於熱平衡 (Thermal equilibrium)，即兩者的溫度相同，而此時兩者之間熱量的淨交換量為零。附帶一提，冷熱兩物體趨近熱平衡的過程中會涉及一個叫「熵 (Entropy)」的物理量上升，而根據熱力學第二定律 (Second law of thermodynamics)，冷熱兩物體趨近熱平衡的過程是不可逆的。
值得一提的是，熱量的傳遞是因為溫度差異而導致的，但是系統得到熱量，不一定會造成系統溫度變化，這些熱量可能會作為潛熱 (Latent heat) 作為物體狀態變化所需的能量，例如冰的融化需要吸收融化熱，但是在融化的過程中冰水混合物的溫度不會繼續上升。同樣地，溫度的變化也不一定是因為熱量導致，於絕熱過程 (Adiabatic process) 中，系統只有受到外界作功，也可能造成溫度變化，例如理想氣體的絕熱膨脹，會使氣體在不與外界交換熱量的情況下，溫度仍然下降。
參考文獻
- Heat — Wikipedia.https://en.wikipedia.org/wiki/Heat
- History of heat — Wikipedia.https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_heat
- Mechanical equivalent of heat — Wikipedia.https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat
- Silbey, R. J. & Alberty R. A. & Bawendi M. G. (2004). Physical Chemistry, 4th edition, pp. 6-7 & 31-35, Hoboken, John Wiley and Sons.
- Schroeder, D. V. (1999). An Introduction To Thermal Physics, pp. 17-19, Addison Wesley Longman.
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我是物理系學生，跟您說聲抱歉，這篇開頭就有非常大的錯誤。
首先，熱力學第一定律並不是什麼
『若是因為溫度的差異而造成自發性的傳遞，這些被傳遞的能量就是熱量；而其他形式被傳遞的能量，則被歸類為功 (Work)。』
另一個定義也是完全錯誤，詳見如下。
熱力學第一定律是描述『能量守恆』，而不是分類傳熱的方式！
dU=dQ-dW
dU：系統的內能變化量，一般來說就是位能＋動能的變化量。
dQ：外界給系統的熱，為什麼不是功？因為外界對系統的作功不一定會全部傳入系統內部，只有透過熱的方式才會傳遞到內部。雖然嚴謹而論所有力量都可以作功，但在量子尺度不存在所謂的『位移』，也就無法從功的定義計算作功。
dW：系統對外界作功，如果對外界做正功要消耗能量，反之吸收能力，故用這種方式表述。
熱本身完全沒有規定要自發與否，唯一有關聯者是準靜態時dQ=TdS，這跟自發毫無關係。
舉一個反例證明你是錯誤的：冰融化成水，從熔化熱的定義可知dQ=Ldm，但冰融化不一定是自發反應。
王立民同學您好，我是原作者葉德緯，感謝你對於這篇文章的回覆，因為這邊網誌的回覆並不會通知到我，因此這時候才偶然看見，先說聲抱歉。
但對於你的指正，我必須說明。
首先關於熱力學第一定律的部分，其內涵的確是描述能量守恆，但根據 Clausius 在書中寫的描述：『In a thermodynamic process involving a closed system, the increment in the internal energy is equal to the difference between the heat accumulated by the system and the work done by it.』（參考英文維基百科的熱力學第一定律頁面），以及現在大部分物理課本對於熱力學第一定律的算式描述 dU=dQ-dW ，其實也清楚的說明了能量的變化是牽涉到兩個大類別：功與熱。
另外關於熱與功的定義，『若是因為溫度的差異而造成自發性的傳遞，這些被傳遞的能量就是熱量；而其他形式被傳遞的能量，則被歸類為功 (Work)。』這句話我只是引用了參考文獻五第16頁的描述：『Heat is defined as any spontaneous flow of energy from one object to another, caused by a difference in temperature between the objects』，以及功的定義『Work, in thermodynamics, is defined by any other transfer of energy into or out of a system.』，並非我的自創定義，若你認爲這個定義與你所認知的定義有歧異，可能是學派解釋的差異，也可能是我引用的這本課本是錯誤的。
最後對於你提出的冰融化並非自發反應的說明：
熱力學課本對於自發的定義是 Gibbs energy 變化量為負(∆G 固態），H 和 -TS 兩邊是競爭關係，因此冰的融化是否是自發反應，必須由溫度所決定。
當溫度大於熔點，冰會自發融化，因為冰要融化，因此會從環境吸收所需的能量，產生自發的熱傳遞。
希望這個回覆能幫助到你和看到這篇文章的人。
上面回覆最後一段被吃掉了，我在這裡補充：
最後對於你提出的冰融化並非自發反應的說明：
熱力學課本對於自發的定義是 Gibbs energy 變化量為負(∆G 固態），H 和 -TS 兩邊是競爭關係，因此冰的融化是否是自發反應，必須由溫度所決定。
當溫度大於熔點，冰會自發融化，因為冰要融化，因此會從環境吸收所需的能量，產生自發的熱傳遞。