Топлинна енергия, наричана ощетоплинна енергияили простотоплина, е вид навътрешененергия, за която се казва, че даден обект се дължи на кинетичната енергия на съставните му частици.
Самата енергия, макар и достатъчно лесна за дефиниране с математическа гледна точка, е сред най-неуловимите величини във физиката по отношение на това, което тя по съществое. Има много форми на енергия и е по-лесно да се определи енергията от гледна точка на границите на нейното аритметично поведение, отколкото да се формулира на точен език.
За разлика отпреводаческиилиротационенкинетична енергия, които възникват от движение съответно на някакво линейно разстояние или в кръг (и те могат да възникнат заедно, както при хвърлен Фризби), топлинната енергия идва от движението на огромен брой малки частици, движение, което може да се разглежда като вибрация около неподвижни точки в пространство.
Средно всяка частица се намира на определено място в разширената система, докато се скита трескаво за тази точка, дори ако в нито един момент от времето статистически вероятно е частицата да бъде намерени там. Това е по-скоро като средното положение на Земята във времето, което е близо до центъра на слънцето, въпреки че тази подредба (за щастие!) Никога не се случва.
Всеки път, когато два материала влязат в контакт, включително въздух,триенерезултатите и част от общата енергия на системата - която, както ще видите, винаги трябва да остане постоянна - се трансформира в топлинна енергия.
Обектът и заобикалящата го среда се увеличаваттемпература, кой еколичествено измерима проява на топлинна енергия и пренос на топлина, измерено в градуси по Целзий (° C), градуси по Фаренхайт (° F) или Келвин (K). Когато предметите губят топлина, те падат до по-ниска температура.
Какво е енергията?
Енергията се предлага в различни форми, както и в различни единици, като най-често срещаната еджаул (J), кръстен на Джеймс Прескот Джоул. Самият джаул има мерни единици по разстоянието или нютонметър (N⋅m). По-фундаментално, енергийните единици са kg⋅m2/с2.
Една концепция, тясно обвързана с енергията, еработа, който има единицинаенергия, но не се разглеждакатоенергия от физиците. Може да се каже, че работата е „свършена“ aсистемачрез добавяне на енергия към него, което води до физическа промяна в системата (например, тя движи бутало или върти магнитна намотка - тоест върши полезна работа). Система е всяка физическа структура с ясно определени граници, която дори може да бъде Земята като цяло.
В допълнение към топлинната енергия (обикновено се пише Q) и кинетичната енергия ("нормалният" линеен или ротационен сорт), други видове енергия включватпотенциална енергия, механична енергияиелектрическа енергия. Критичният аспект на енергията е, че независимо как тя се появява във всяка система, тя винаги е такаваконсервирани.
Топлинна енергия: Най-малко полезната форма на енергия
Когато има трансфер на топлинна енергия в околната среда (т.е. тя се „разсейва“ или „се губи“), от Разбира се, всъщност по никакъв начин не се унищожава енергия, тъй като това би нарушило опазването на енергия.
Тази топлина обаче не може да бъде напълно възстановена и използвана повторно, поради което тя се нарича по-малко полезна форма на енергия. Всеки път, когато през зимата преминете покрай сграда или отвор за отдушник и изтича безкраен облак пара или топъл въздух, това е ярък пример за топлинна енергия, която е „безполезна“ енергия. От друга страна, атоплинна машинакато този при автомобилите с бензин използва топлинна енергия за механична енергия.
Топлинна енергия и температура
Температурата на обект или система е мярка засредно аритметичнотранслационна кинетична енергия на молекула на този обект, докато топлинната енергия е общата вътрешна енергия на системата. Когато частиците се движат, винаги има кинетична енергия. Преместването на топлината нагоре спрямо температурен градиент изисква работа, като използването на термопомпи.
Топлината и ежедневният свят
Топлинната енергия може да се появи тук като измамно количество, но може да бъде и да бъде използвана отлично в готвенето и други сфери. Когато смилате храната, превръщате химическата енергия от връзките във въглехидратите, протеините и мазнините в топлина ("калории" вместо джаули в общи линии).
Триенегенерира топлина, често в бързане. Ако бързо потъркате ръцете си, те ще се затоплят бързо. Автоматично оръжие изстрелва куршуми от цевта толкова бързо, че металът става опасно горещ на допир почти веднага.
Топлинна енергия и запазване на енергията: Пример
Помислете за мрамор, който се търкаля вътре в купа. "Системата" включва също околната среда (т.е. Земята като цяло). Докато се движи нагоре встрани, повече от общата му енергия се превръща в гравитационна потенциална енергия; докато се ускорява близо до дъното, по-голяма част от тази енергия се трансформира в кинетична енергия. Ако това беше цялата история, мраморът щеше да продължава да върви нагоре и надолу завинаги, достигайки еднакви височини и скорости с всеки цикъл.
Вместо това, всеки път, когато мраморът се изкачи отстрани, той се изкачва малко по-малко високо и скоростта му отдолу е малко по-малка, докато в крайна сметка мраморът не почива на дъното. Това е така, защото през цялото време, когато мраморът се търкаляше, все повече и повече от общата енергийна "пита" се преобразуваше към все по-голям и по-голям "парче" от топлинна енергия и разсейване в околната среда, което вече не може да се използва от мрамор. В дъното цялата енергия на системата се е „превърнала“ в топлинна енергия.
Уравнение на топлинната енергия: топлинен капацитет
Едно от уравненията, които може да срещнете, е това затоплинен капацитет:
Q = mC \ Delta T
къдетоВъпрос:е топлинна енергия в джаули,ме масата на обекта, който се нагрява,° Се на обектаспецифична топлина капацитетиделта Те неговата промяна в температурата в Целзий. Специфичният топлинен капацитет на дадено вещество еколичество енергия, необходимо за повишаване на температурата от 1 грам от това вещество с 1 градус по Целзий.
По този начин по-високият топлинен капацитет предполага по-голяма устойчивост на температурни промени за дадена маса на веществото, а по-голямата маса сама по себе си означава по-висок топлинен капацитет. Това има интуитивен смисъл; ако изложите 10 ml вода на „висока“ в микровълнова фурна за една минута, температурната промяна ще бъде далеч по-голяма, отколкото ако нагреете 1000 ml вода, започвайки при същата температура за същия период от време.
Законите на термодинамиката
Термодинамиката е изследване на това как работата, топлината и вътрешната енергия взаимодействат в една система. Важното е, че се занимава само с мащабни наблюдения, които могат да бъдат измерени; кинетичната теория на газовете се отнася до взаимодействия на ниво вибрации.
Първият закон на термодинамикатагласи, че промените във вътрешната енергия могат да бъдат отчетени чрез топлинни загуби: ΔE = Q - W, къдетоΔEе промяна във вътрешната енергия (Δ е гръцката буква "делта" и означава "разлика" тук),Въпрос:е количеството прехвърлена топлинна енергиявсистемата иWе свършената работаотсистемата на околната среда.
Вторият закон на термодинамикатазаявява, че когато се свърши работа, сумата отентропияв атмосферата се увеличава. По този начин потокът на топлинна енергия непрекъснато води до увеличаване на ентропията.
- Ентропия (С) е променлива на състоянието, термодинамично свойство на система, която свободно означава "разстройство" и нейното движение може да бъде изразено като
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Третият закон на термодинамикатазаявява, че ентропиятаСна системата се приближава до постоянна стойност като температуратаTприближаваабсолютна нула(0 K или -273 ° С).
Когато един обект е с по-висока температура от близкия обект, тази температурна разлика благоприятства енергийния трансфер под формата на топлина към по-хладния обект.
Има три основни начина за осъществяване на пренос на топлина от един обект към друг:Провеждане(директен контакт),конвекция(движение през течност или газ) и термичнорадиация(движение през пространството).
