温度、热量与能量

一杯热水温度很高，一池温水却可能在冷却一度时释放更多能量。气象学中的温度、热量和能量不是同义词。后面解释海风、云和雷暴时，最重要的习惯是追问：能量从哪里来，流向哪里，改变了什么？

温度不是“热量的多少”

温度（temperature）描述热状态；在常温气体中，它与分子随机运动的平均能量有关。内能（internal energy）则包括物质内部的微观能量，受到质量、温度、物态等因素影响。同温度的两份空气，若质量不同，总内能通常不同。

热量（heat）是因温度差而传递的能量，单位焦耳J。严格说，一个物体具有内能，我们讨论热量时是在讨论转移过程。功（work）是另一种能量转移方式，例如气体膨胀推动周围空气。能量单位相同，不意味着这些过程可以混为一谈。NIST：热力学温度

同样的能量能升高多少度

没有相变、给定过程下，可用 $Q=mc\mathrm{\Delta }T$ 估算加热量。$Q$用J，质量$m$用kg，比热容（specific heat capacity）$c$用J/(kg·K)，温度变化$\mathrm{\Delta }T$用K。比热容告诉我们，1千克物质升高1 K需要多少能量。

以近似定压加热为例，干空气的$c_p$约1004 J/(kg·K)，液态水约4180 J/(kg·K)。给1千克空气增加约1004 J，温度约升1 K；给1千克液态水同样能量，约升0.24 K。这里忽略散热和相变。水的热容量大，加上混合与蒸发，使水面附近的温度变化常比干燥陆地缓慢，但真实海陆温差不能只凭一种材料常数决定。NASA：热容量等物理常数表

大气通过哪些路径交换能量

辐射（radiation）通过电磁波传递能量，不需要空气作为媒介，所以太阳能越过近乎真空的太空到达地球。传导（conduction）依靠分子相互作用传递能量，例如暖地面与紧贴地面的空气交换能量。对流（convection）涉及流体的整体运动；空气运动可以把能量输送到别处。水平搬运常称平流（advection），竖直对流与湍流混合则常在边界层中很重要。

不要把这些词当作互斥标签。一块日照路面同时吸收太阳辐射、发出红外辐射、向地下传导能量，还与空气交换热量。哪一项占主导，要看环境与时段。NOAA：能量传递方式

不加热，温度也会变

热力学第一定律（first law of thermodynamics）本质是能量守恒。取“气体对外做功为正”的约定，可写 $\mathrm{\Delta }U=Q-W$，三个量都用J。若没有热量穿过边界，即$Q=0$，气体膨胀对外做功$W>0$，内能便减少；对理想气体，温度因此下降。温度下降不一定意味着能量通过热传递流给了冷空气。

常见误解： 绝热（adiabatic）不是“温度不变”，而是没有与外界交换热量；等温（isothermal）才是温度不变。真实空气可以同时膨胀、混合、吸收辐射，教学时先拆开这些过程，才能看清各项作用。

自检：两个能量账本

1千克水升高2 K需要约多少能量？若一团理想气体绝热膨胀，对外做功200 J，其内能怎样变化？这两个例子能否都简单称为“外界把空气冷却或加热”？

展开答案

水所需能量约为$1\times 4180\times 2=8360$ J。绝热膨胀中$Q=0$，内能减少200 J。第二个例子通过做功改变内能，没有热量从环境流入或流出；必须说明具体过程，不能只凭温度升降判断能量传递路径。

继续：太阳辐射与能量收支。