Termisk energi, også kaldetvarmeenergieller simpelthenvarme, er en typeindreenergi, som et objekt siges at have på grund af dets kinetiske energi i dets bestanddele.
Selvom energi selv er let nok til at definere i matematiske termer, er den blandt de mere undvigende størrelser i fysik med hensyn til hvad den fundamentalter. Der er mange former for energi, og det er lettere at definere energi ud fra grænserne for dens aritmetiske opførsel, end det er at indramme den på præcist sprog.
I modsætning tiltranslationelellerroterendekinetisk energi, der stammer fra bevægelse over henholdsvis en eller anden lineær afstand eller i en cirkel (og disse kan forekomme sammen som med et kastet Frisbee), varmeenergi kommer fra bevægelsen af et stort antal små partikler, bevægelse, der kan betragtes som vibrationer omkring faste punkter i plads.
I gennemsnit findes hver partikel et bestemt sted i det udvidede system, når den vandrer hidsigt omkring dette punkt, selvom partiklen statistisk sandsynligt på intet tidspunkt er fundet der. Dette er snarere som Jordens gennemsnitlige position over tid er tæt på solens centrum, selvom dette arrangement (heldigvis!) Aldrig sker.
Hver gang to materialer kommer i kontakt, inklusive luft,friktionresultater, og noget af systemets samlede energi - som, som du vil se, altid skal forblive konstant - omdannes til termisk energi.
Objektet og dets omgivelser oplever en stigning itemperatur, som erkvantificerbar manifestation af termisk energi og varmeoverførsel, målt i grader Celsius (° C), grader Fahrenheit (° F) eller Kelvin (K). Når genstande mister varme, falder de til en lavere temperatur.
Bare hvad er energi?
Energi kommer i forskellige former såvel som i forskellige enheder, hvor den mest almindelige erjoule (J), opkaldt efter James Prescott Joule. Joule selv har enheder af kraft gange afstand eller newton-meter (N⋅m). Mere fundamentalt er energienhederne kg⋅m2/ s2.
Et koncept tæt knyttet til energi erarbejde, som har enhederafenergi men betragtes ikkesomenergi af fysikere. Arbejde kan siges at være "udført på" asystemved at tilføje energi til det, hvilket resulterer i en fysisk ændring af systemet (f.eks. bevæger det et stempel eller roterer en magnetisk spole - det vil sige gør nyttigt arbejde). Et system er enhver fysisk opsætning med klart definerede grænser, som endda kan være Jorden som helhed.
Ud over varmeenergi (normalt skrevet Q) og kinetisk energi (den "normale" lineære eller rotationssort) inkluderer andre typer energipotentiel energi, mekanisk energiogelektrisk energi. Det kritiske aspekt ved energi er, at uanset hvordan det ser ud i ethvert system, er det altidbevaret.
Termisk energi: Den mindst nyttige form for energi
Når der sker overførsel af termisk energi til miljøet (dvs. den "forsvinder" eller "går tabt"), af naturligvis ødelægges faktisk ingen energi på nogen måde, da dette ville krænke bevarelsen af energi.
Denne varme kan dog ikke genindfanges fuldstændigt og genbruges, hvorfor det kaldes en mindre anvendelig form for energi. Når du passerer en bygning eller en jordudluftning om vinteren, og en uendelig sky af damp eller varm luft strømmer ud, er det et klart eksempel på termisk energi, der er "ubrugelig" energi. På den anden side er envarmemotorsom den i benzindrevne biler bruger termisk energi til mekanisk energi.
Varme energi og temperatur
Temperaturen på et objekt eller et system er et mål forgennemsnittranslationel kinetisk energi pr. molekyle af dette objekt, mens termisk energi er systemets samlede interne energi. Når partikler bevæger sig, er der altid kinetisk energi. At flytte varmen opad mod en temperaturgradient kræver arbejde, såsom brug af varmepumper.
Varme og hverdagens verden
Termisk energi kan her fremstå som en slyngelstørrelse, men den kan og udnyttes fremragende til madlavning og andre områder. Når du fordøjer mad, omdanner du kemisk energi fra bindingerne i kulhydrater, proteiner og fedt til varme ("kalorier" i stedet for joule i almindelige vendinger).
Friktiongenererer varme, ofte i en fart. Hvis du hurtigt gnider hænderne sammen, bliver de varme op hurtigt. Et automatisk våben skyder kugler ud af tønden så hurtigt, at metallet bliver farligt varmt at røre ved med det samme.
Termisk energi og energibesparelse: Eksempel
Overvej en marmor, der ruller rundt inde i en skål. "Systemet" inkluderer også miljøet (dvs. jorden som helhed). Når den bevæger sig op ad siden, konverteres mere af dens samlede energi til tyngdepotentialenergi; som det hastighed nær bunden, mere af denne energi omdannes til kinetisk energi. Hvis dette var hele historien, ville marmoren fortsætte op og ned for evigt og nåede de samme højder og hastigheder for hver cyklus.
I stedet for, hver gang marmoren kommer op ad siden, klatrer den lidt mindre højt, og dens hastighed i bunden er lidt mindre, indtil marmoren til sidst hviler i bunden. Dette skyldes, at hele tiden, hvor marmoren rullede, blev mere og mere af den samlede energi "pie" konverteret til en større og større "skive" termisk energi og spredt ud i miljøet, ikke længere anvendelig af marmor. Nederst er al systemets energi "blevet" termisk energi.
Termisk energiligning: Varmekapacitet
En af ligningerne, du kan støde på, er den tilVarmekapacitet:
Q = mC \ Delta T
hvorSpørgsmåler termisk energi i joule,mer massen af genstanden, der opvarmes,Cer objektetsspecifik varme kapacitetogdelta Ter dens temperaturændring i Celsius. Et stofs specifikke varmekapacitet ermængde energi, der kræves for at hæve temperaturen på 1 gram af dette stof med 1 grad Celsius.
Højere varmekapaciteter indebærer således en større modstandsdygtighed over for temperaturændring for en given masse af et stof, og mere masse i sig selv betyder en højere varmekapacitet. Dette giver intuitiv mening; Hvis du udsatte 10 ml vand for "højt" i en mikrobølgeovn i et minut, vil temperaturændringen være langt større end hvis du opvarmede 1.000 ml vand startende ved den samme temperatur i samme tid.
Loven om termodynamik
Termodynamik er studiet af, hvordan arbejde, varme og intern energi interagerer i et system. Det er vigtigt, at det kun vedrører store observationer, der kan måles; den kinetiske teori om gasser adresserer vibrationsniveau-interaktioner.
Den første lov om termodynamikangiver, at ændringer i intern energi kan tages i betragtning ved varmetab: ΔE = Q - W, hvorΔEer ændring i intern energi (Δ er det græske bogstav "delta" og betyder "forskel" her),Spørgsmåler mængden af overført termisk energiind isystemet ogWer arbejdet udførtvedsystemet på omgivelserne.
Den anden lov om termodynamikangiver, at når arbejdet udføres, skal mængden afentropii atmosfæren stiger. Således forårsager strømmen af termisk energi konstant entropi at stige.
- Entropi (S) er en tilstandsvariabel, en termodynamisk egenskab ved et system, der løst betyder "uorden", og dens bevægelse kan udtrykkes som
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Den tredje lov om termodynamikangiver, at entropienSaf et system nærmer sig en konstant værdi som temperaturenTnærmer sigabsolut nul(0 K eller -273 C).
Når et objekt har en højere temperatur end et nærliggende objekt, favoriserer denne temperaturforskel energioverførsel i form af varme til det køligere objekt.
Der er tre grundlæggende måder at skabe overførsel af varme fra et objekt til et andet:Ledning(direkte kontakt),konvektion(bevægelse gennem en væske eller gas) og termiskstråling(bevægelse gennem rummet).