Θερμική ενέργεια: Ορισμός, εξίσωση, τύποι (με διάγραμμα & παραδείγματα)

Θερμική ενέργεια, που ονομάζεται επίσηςθερμότηταή απλάθερμότητα, είναι ένας τύποςεσωτερικόςενέργεια που ένα αντικείμενο λέγεται ότι διαθέτει λόγω της κινητικής ενέργειας των συστατικών του σωματιδίων.

Η ίδια η ενέργεια, ενώ είναι αρκετά εύκολη για να προσδιοριστεί με μαθηματικούς όρους, είναι από τις πιο αόριστες ποσότητες στη φυσική ως προς αυτό που βασικάείναι. Υπάρχουν πολλές μορφές ενέργειας, και είναι πιο εύκολο να ορίσουμε την ενέργεια από την άποψη των ορίων της αριθμητικής συμπεριφοράς της από ότι είναι να την πλαισιώσουμε σε ακριβή γλώσσα.

Διαφορετικόςμεταφραστικήήπεριστροφικόςκινητική ενέργεια, η οποία προκύπτει από την κίνηση σε κάποια γραμμική απόσταση ή σε κύκλο, αντίστοιχα (και αυτές μπορούν να συμβούν μαζί, όπως Frisbee), η θερμική ενέργεια προέρχεται από την κίνηση τεράστιων αριθμών μικροσκοπικών σωματιδίων, κίνηση που μπορεί να θεωρηθεί ως δόνηση γύρω από σταθερά σημεία χώρος.

Κατά μέσο όρο, κάθε σωματίδιο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση μέσα στο εκτεταμένο σύστημα καθώς περιφέρεται ξέφρενα γι 'αυτό το σημείο, ακόμη και αν σε καμία χρονική στιγμή το σωματίδιο είναι στατιστικά πιθανό να είναι βρέθηκε εκεί. Αυτό μοιάζει μάλλον με τη μέση θέση της Γης με την πάροδο του χρόνου να βρίσκεται κοντά στο κέντρο του ήλιου παρόλο που αυτή η διάταξη (ευτυχώς!) Δεν συμβαίνει ποτέ.

Κάθε φορά που έρχονται σε επαφή δύο υλικά, συμπεριλαμβανομένου του αέρα,τριβήαποτελέσματα και μέρος της συνολικής ενέργειας του συστήματος - το οποίο, όπως θα δείτε, πρέπει πάντα να παραμένει σταθερό - μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια.

Το αντικείμενο και το περιβάλλον του παρουσιάζουν αύξησηθερμοκρασία, Ποιο είναι τοποσοτικοποιήσιμη εκδήλωση θερμικής ενέργειας και μεταφοράς θερμότητας, μετρούμενη σε βαθμούς Κελσίου (° C), βαθμούς Φαρενάιτ (° F) ή Kelvin (K). Όταν τα αντικείμενα χάνουν θερμότητα, πέφτουν σε χαμηλότερη θερμοκρασία.

Η ενέργεια έρχεται σε διάφορες μορφές, καθώς και σε διάφορες μονάδες, η πιο κοινή είναι ηjoule (J), ονομάστηκε για τον James Prescott Joule. Το ίδιο το joule έχει μονάδες δύναμης φορές απόσταση, ή Newton-μέτρα (N⋅m). Πιο βασικά, οι μονάδες ενέργειας είναι kg energym²/μικρό².

Μια έννοια που συνδέεται στενά με την ενέργεια είναιεργασία, που έχει μονάδεςτουενέργεια αλλά δεν θεωρείταιόπως καιενέργεια από φυσικούς. Η εργασία μπορεί να ειπωθεί ότι «γίνεται» αΣύστημαπροσθέτοντας ενέργεια σε αυτό, η οποία έχει ως αποτέλεσμα μια φυσική αλλαγή στο σύστημα (π.χ., κινεί ένα έμβολο ή περιστρέφει ένα μαγνητικό πηνίο - δηλαδή, κάνει χρήσιμη δουλειά). Ένα σύστημα είναι οποιαδήποτε φυσική διάταξη με σαφώς καθορισμένα όρια, τα οποία μπορεί να είναι ακόμη και η Γη ως σύνολο.

Εκτός από τη θερμική ενέργεια (συνήθως γραμμένη Q) και την κινητική ενέργεια (το "κανονικό" γραμμικό ή περιστροφικό είδος), άλλοι τύποι ενέργειας περιλαμβάνουνδυναμική ενέργεια​, ​μηχανική ενέργειακαιηλεκτρική ενέργεια. Η κρίσιμη πτυχή της ενέργειας είναι ότι, ανεξάρτητα από το πώς εμφανίζεται σε οποιοδήποτε σύστημα, είναι πάνταδιατηρημένο​.

Όταν υπάρχει μεταφορά θερμικής ενέργειας στο περιβάλλον (δηλαδή, "διαλύεται" ή "χάνεται"), φυσικά καμία ενέργεια δεν καταστρέφεται με κανέναν τρόπο, καθώς αυτό θα παραβίαζε τη διατήρηση του ενέργεια.

Αυτή η θερμότητα, ωστόσο, δεν μπορεί να ανακτηθεί πλήρως και να επαναχρησιμοποιηθεί, γι 'αυτό ονομάζεται λιγότερο χρήσιμη μορφή ενέργειας. Κάθε φορά που περνάτε ένα κτίριο ή μια έξοδο εδάφους το χειμώνα και ένα ατελείωτο σύννεφο ατμού ή θερμού αέρα ρέει, αυτό είναι ένα σαφές παράδειγμα θερμικής ενέργειας που είναι «άχρηστη» ενέργεια. Από την άλλη πλευρά, ακινητήρας θερμότηταςόπως αυτό στα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα χρησιμοποιεί θερμική ενέργεια για μηχανική ενέργεια.

Η θερμοκρασία ενός αντικειμένου ή συστήματος είναι ένα μέτρο τουμέση τιμήμεταγραφική κινητική ενέργεια ανά μόριο αυτού του αντικειμένου, ενώ η θερμική ενέργεια είναι η συνολική εσωτερική ενέργεια του συστήματος. Όταν τα σωματίδια κινούνται, υπάρχει πάντα κινητική ενέργεια. Η μετακίνηση της θερμότητας προς τα πάνω σε μια κλίση θερμοκρασίας απαιτεί εργασία, όπως η χρήση αντλιών θερμότητας.

Η θερμική ενέργεια μπορεί να εμφανίζεται εδώ ως αδίστακτη ποσότητα, αλλά μπορεί και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εξαιρετική χρήση στο μαγείρεμα και σε άλλους τομείς. Όταν χωνεύετε τρόφιμα, μετατρέπετε τη χημική ενέργεια από τους δεσμούς σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπος σε θερμότητα ("θερμίδες" αντί για joules με κοινούς όρους).

​Τριβήπαράγει θερμότητα, συχνά βιαστικά. Εάν τρίβετε τα χέρια σας γρήγορα, θα ζεσταθούν γρήγορα. Ένα αυτόματο όπλο πυροβολεί σφαίρες από το βαρέλι τόσο γρήγορα που το μέταλλο γίνεται επικίνδυνα ζεστό στην αφή σχεδόν αμέσως.

Σκεφτείτε ένα μάρμαρο που κυλάει μέσα σε ένα μπολ. Το "σύστημα" περιλαμβάνει επίσης το περιβάλλον (δηλαδή, τη Γη ως σύνολο). Καθώς κινείται προς τα πάνω, περισσότερο από τη συνολική της ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια βαρύτητας. καθώς επιταχύνεται κοντά στον πυθμένα, περισσότερη ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Αν αυτή ήταν όλη η ιστορία, το μάρμαρο θα συνεχίσει να ανεβαίνει και να κατεβαίνει για πάντα, φτάνοντας στα ίδια ύψη και ταχύτητες με κάθε κύκλο.

Αντ 'αυτού, κάθε φορά που το μάρμαρο ανεβαίνει στο πλάι, ανεβαίνει λίγο λιγότερο ψηλά, και η ταχύτητά του στο κάτω μέρος είναι λίγο μικρότερο, έως ότου τελικά το μάρμαρο αναπαυθεί στο κάτω μέρος. Αυτό συμβαίνει επειδή όλη την ώρα που το μάρμαρο κυλούσε, όλο και περισσότερο η "πίτα" συνολικής ενέργειας μετατράπηκε σε ένα μεγαλύτερο και μεγαλύτερο "κομμάτι" θερμικής ενέργειας και διασκορπισμένο στο περιβάλλον, δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί από το μάρμαρο. Στο κάτω μέρος, όλη η ενέργεια του συστήματος έχει "γίνει" θερμική ενέργεια.

Μία από τις εξισώσεις που μπορεί να συναντήσετε είναι αυτήθερμοχωρητικότητα​:

όπουΕρείναι θερμική ενέργεια σε joules,Μείναι η μάζα του αντικειμένου που θερμαίνεται,ντοείναι το αντικείμενοειδική θερμότητα​ ​χωρητικότητακαιΔέλτα Τείναι η αλλαγή της θερμοκρασίας σε Κελσίου. Η ειδική θερμική ικανότητα μιας ουσίας είναι ηποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 γραμμαρίου αυτής της ουσίας κατά 1 βαθμό Κελσίου​.

Οι υψηλότερες θερμικές ικανότητες συνεπάγονται έτσι μεγαλύτερη αντίσταση στην αλλαγή θερμοκρασίας για μια δεδομένη μάζα μιας ουσίας, και περισσότερη μάζα από μόνη της σημαίνει υψηλότερη θερμική ικανότητα. Αυτό έχει διαισθητικό νόημα. Εάν εκθέσετε 10 mL νερού σε "υψηλή" σε φούρνο μικροκυμάτων για ένα λεπτό, η αλλαγή θερμοκρασίας θα είναι πολύ μακριά μεγαλύτερη από ό, τι εάν θερμάνετε 1.000 mL νερού ξεκινώντας στην ίδια θερμοκρασία για το ίδιο χρονικό διάστημα.

Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη του τρόπου εργασίας, θερμότητας και εσωτερικής ενέργειας σε ένα σύστημα. Είναι σημαντικό ότι αφορά μόνο παρατηρήσεις μεγάλης κλίμακας που μπορούν να μετρηθούν. η κινητική θεωρία των αερίων αντιμετωπίζει τις αλληλεπιδράσεις σε επίπεδο δόνησης.

​Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικήςδηλώνει ότι οι αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια μπορούν να ληφθούν υπόψη από απώλειες θερμότητας: ΔE = Q - W, όπουΔΕείναι η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας (Δ είναι το ελληνικό γράμμα «δέλτα», και σημαίνει «διαφορά» εδώ),Ερείναι η ποσότητα θερμικής ενέργειας που μεταφέρεταισετο σύστημα καιΔείναι η δουλειάμετο σύστημα στο περιβάλλον.

​Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικήςδηλώνει ότι όποτε γίνεται δουλειά, το ποσό τωνεντροπίαστην ατμόσφαιρα αυξάνεται. Έτσι, η ροή της θερμικής ενέργειας προκαλεί συνεχώς την εντροπία να αυξάνεται.

• Εντροπία (μικρό) είναι μια μεταβλητή κατάστασης, μια θερμοδυναμική ιδιότητα ενός συστήματος που σημαίνει χαλαρά "διαταραχή" και η κίνησή του μπορεί να εκφραστεί ως 

​Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικήςδηλώνει ότι η εντροπίαμικρόενός συστήματος πλησιάζει μια σταθερή τιμή όπως η θερμοκρασίαΤπλησιάζειαπόλυτο μηδενικό(0 K, ή -273 C).

Όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία από ένα κοντινό αντικείμενο, αυτή η διαφορά θερμοκρασίας ευνοεί τη μεταφορά ενέργειας με τη μορφή θερμότητας στο ψυχρότερο αντικείμενο.

Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για τη μεταφορά θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο:Μεταβίβαση(απευθείας επαφή),μεταγωγή(κίνηση μέσω υγρού ή αερίου) και θερμικήακτινοβολία(κίνηση μέσω του διαστήματος).