Thermische Energie: Definition, Gleichung, Typen (mit Diagramm und Beispielen)

Wärmeenergie, auch genanntWärmeenergieoder einfachHitze, ist eine Art voninternEnergie, die ein Objekt aufgrund der kinetischen Energie seiner Teilchen besitzt.

Die Energie selbst, obwohl sie mathematisch leicht zu definieren ist, gehört zu den schwer fassbaren Größen in der Physik in Bezug auf das, was sie im Grunde genommen hatist. Es gibt viele Formen von Energie, und es ist einfacher, Energie anhand der Grenzen ihres arithmetischen Verhaltens zu definieren, als sie in einer präzisen Sprache zu formulieren.

nicht wietranslationaloderrotierendkinetische Energie, die durch Bewegung über eine lineare Strecke bzw. in einem Kreis entsteht (und diese können zusammen auftreten, wie bei einem Wurf Frisbee) entsteht die Wärmeenergie durch die Bewegung einer großen Anzahl winziger Teilchen, eine Bewegung, die man sich als Schwingung um feste Punkte in vorstellen kann Platz.

Im Durchschnitt befindet sich jedes Teilchen an einer bestimmten Stelle innerhalb des erweiterten Systems, während es wandert hektisch um diesen Punkt, auch wenn das Teilchen zu keinem Zeitpunkt statistisch wahrscheinlich ist dort gefunden. Dies ist ähnlich wie die durchschnittliche Position der Erde im Laufe der Zeit in der Nähe des Sonnenzentrums, obwohl diese Anordnung (zum Glück!) nie auftritt.

Jedes Mal, wenn zwei Materialien in Kontakt kommen, einschließlich Luft,Reibungund ein Teil der Gesamtenergie des Systems, die, wie Sie sehen werden, immer konstant bleiben muss, wird in Wärmeenergie umgewandelt.

Das Objekt und seine Umgebung erfahren eine Zunahme anTemperatur, das ist diequantifizierbare Manifestation von Wärmeenergie und Wärmeübertragung, gemessen in Grad Celsius (°C), Grad Fahrenheit (°F) oder Kelvin (K). Wenn Gegenstände Wärme verlieren, sinken sie auf eine niedrigere Temperatur.

Energie gibt es in verschiedenen Formen sowie in verschiedenen Einheiten, die gebräuchlichste ist dieJoule (J), benannt nach James Prescott Joule. Das Joule selbst hat die Einheiten Kraft mal Weg oder Newtonmeter (N⋅m). Grundsätzlich sind die Energieeinheiten kg⋅m²/s².

Ein eng mit Energie verbundenes Konzept istArbeit, die Einheiten hatvonEnergie, wird aber nicht berücksichtigtwieEnergie von Physikern. Arbeit kann als "erledigt" bezeichnet werden aSystemindem er ihm Energie hinzufügt, was zu einer physikalischen Veränderung des Systems führt (z. B. bewegt er einen Kolben oder dreht eine Magnetspule – leistet also nützliche Arbeit). Ein System ist jede physikalische Anordnung mit klar definierten Grenzen, die sogar die Erde als Ganzes sein kann.

Neben Wärmeenergie (normalerweise Q geschrieben) und kinetischer Energie (die "normale" lineare oder rotierende Art) umfassen andere Energiearten:potenzielle Energie​, ​mechanische Energieundelektrische Energie. Der kritische Aspekt der Energie ist, dass sie, egal wie sie in einem System erscheint, immerkonserviert​.

Wenn Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird (d. h. sie "verliert" oder "geht verloren"), von Natürlich wird keine Energie in irgendeiner Weise vernichtet, da dies die Erhaltung von verletzen würde Energie.

Diese Wärme kann jedoch nicht vollständig zurückgewonnen und wiederverwendet werden, weshalb sie als weniger nützliche Energieform bezeichnet wird. Immer wenn Sie im Winter an einem Gebäude- oder Bodenschlot vorbeikommen und eine endlose Dampf- oder Warmluftwolke ausströmt, ist das ein klares Beispiel für thermische Energie, die "nutzlose" Energie ist. Auf der anderen Seite aWärmekraftmaschinewie bei benzinbetriebenen Autos nutzt man thermische Energie für mechanische Energie.

Die Temperatur eines Objekts oder Systems ist ein Maß für diedurchschnittlichkinetische Translationsenergie pro Molekül dieses Objekts, während die thermische Energie die gesamte innere Energie des Systems ist. Wenn sich Teilchen bewegen, gibt es immer kinetische Energie. Wärme gegen einen Temperaturgradienten nach oben zu transportieren erfordert Arbeit, wie zum Beispiel den Einsatz von Wärmepumpen.

Thermische Energie mag hier als Schurkengröße auftauchen, aber sie kann und wird hervorragend beim Kochen und in anderen Bereichen eingesetzt. Wenn Sie Nahrung verdauen, wandeln Sie chemische Energie aus den Bindungen in Kohlenhydraten, Proteinen und Fett in Wärme um (im Allgemeinen „Kalorien“ statt Joule).

​Reibungerzeugt Hitze, oft in Eile. Wenn Sie Ihre Hände schnell aneinander reiben, werden sie schnell warm. Eine automatische Waffe feuert Kugeln so schnell aus dem Lauf, dass das Metall fast sofort gefährlich heiß wird.

Stellen Sie sich eine Murmel vor, die in einer Schüssel herumrollt. Das "System" umfasst auch die Umwelt (d. h. die Erde als Ganzes). Wenn es sich an der Seite nach oben bewegt, wird mehr von seiner Gesamtenergie in potentielle Gravitationsenergie umgewandelt; Wenn es sich in der Nähe des Bodens beschleunigt, wird mehr von dieser Energie in kinetische Energie umgewandelt. Wenn dies die ganze Geschichte wäre, würde die Murmel ewig auf und ab gehen und mit jedem Zyklus die gleichen Höhen und Geschwindigkeiten erreichen.

Stattdessen klettert die Murmel jedes Mal, wenn sie an der Seite hochkommt, etwas weniger hoch und ihre Geschwindigkeit am Boden ist etwas geringer, bis die Murmel schließlich unten zur Ruhe kommt. Dies liegt daran, dass während der ganzen Zeit, in der die Murmel rollte, immer mehr von dem Gesamtenergie-"Kuchen" umgewandelt wurde zu einer immer größeren "Scheibe" thermischer Energie und an die Umgebung abgegeben, nicht mehr nutzbar durch die Marmor. Im unteren Bereich ist die gesamte Energie des Systems zu thermischer Energie "geworden".

Eine der Gleichungen, auf die Sie möglicherweise stoßen, ist die fürWärmekapazität​:

woQist Wärmeenergie in Joule,ichist die Masse des zu erwärmenden Objekts,Cist das Objektspezifische Wärme​ ​KapazitätundDelta Tist seine Temperaturänderung in Celsius. Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist dieEnergiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm dieser Substanz um 1 Grad Celsius zu erhöhen​.

Höhere Wärmekapazitäten implizieren somit eine größere Temperaturwechselbeständigkeit für eine gegebene Masse eines Stoffes, und mehr Masse allein bedeutet eine höhere Wärmekapazität. Dies ist intuitiv sinnvoll; Wenn Sie 10 ml Wasser eine Minute lang in einer Mikrowelle „hoch“ aussetzen, ist die Temperaturänderung weit größer, als wenn Sie 1.000 ml Wasser bei gleicher Temperatur für die gleiche Zeitdauer erhitzten.

Thermodynamik ist die Lehre vom Zusammenspiel von Arbeit, Wärme und innerer Energie in einem System. Wichtig ist, dass es sich nur um großräumige Beobachtungen handelt, die gemessen werden können; die kinetische Gastheorie befasst sich mit Wechselwirkungen auf Schwingungsebene.

​Der erste Hauptsatz der Thermodynamikbesagt, dass Änderungen der inneren Energie durch Wärmeverluste berücksichtigt werden können: ΔE = Q – W, ​​wobeiEist die Änderung der inneren Energie (Δ ist der griechische Buchstabe „Delta“ und bedeutet hier „Unterschied“)Qist die übertragene Wärmeenergiemengeindas System undWist die arbeit getandurchdas System auf die Umgebung.

​Der zweite Hauptsatz der Thermodynamikgibt an, dass bei jeder Arbeit die Menge anEntropiein der Atmosphäre nimmt zu. Der Fluss thermischer Energie führt somit zu einer ständigen Zunahme der Entropie.

• Entropie (S) ist eine Zustandsvariable, eine thermodynamische Eigenschaft eines Systems, die lose "Unordnung" bedeutet, und ihre Bewegung kann ausgedrückt werden als 

​Der dritte Hauptsatz der Thermodynamikbesagt, dass die EntropieSeines Systems nähert sich einem konstanten Wert, wenn die TemperaturTnähert sichAbsoluter Nullpunkt(0 K oder -273 C).

Wenn ein Objekt eine höhere Temperatur hat als ein nahe gelegenes Objekt, begünstigt diese Temperaturdifferenz die Energieübertragung in Form von Wärme auf das kühlere Objekt.

Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten, die Wärmeübertragung von einem Objekt auf ein anderes zu bewirken:Leitung(direkten Kontakt),Konvektion(Bewegung durch eine Flüssigkeit oder ein Gas) und thermischStrahlung(Bewegung durch den Raum).