Toplinska energija, također nazvanatoplinska energijaili jednostavnotoplina, je vrstaunutarnjaenergije za koju se kaže da objekt posjeduje zahvaljujući kinetičkoj energiji sastavnih čestica.
Sama energija, iako je dovoljno jednostavna za matematičko definiranje, jedna je od nedostižnijih veličina u fizici u smislu onoga što je u osnovije. Postoji mnogo oblika energije, a energiju je lakše definirati u smislu ograničenja njezinog aritmetičkog ponašanja, nego je precizno uokviriti.
Za razliku odtranslacijskiilirotacijskikinetička energija koja nastaje kretanjem na nekoj linearnoj udaljenosti, odnosno u krugu (a one se mogu pojaviti zajedno, kao kod bačenog Frizbi), toplinska energija dolazi od gibanja golemog broja sitnih čestica, pokreta koji se može smatrati vibracijom oko fiksnih točaka u prostor.
U prosjeku se svaka čestica nalazi na određenom mjestu unutar proširenog sustava dok luta mahnito oko te točke, čak i ako čestica u niti jednom trenutku statistički nije vjerojatna tamo našao. To je prilično poput prosječnog položaja Zemlje tijekom vremena koji je blizu središta sunca iako se taj raspored (na sreću!) Nikada ne događa.
Svaki put kad dva materijala dođu u kontakt, uključujući zrak,trenjerezultata, a dio ukupne energije sustava - koja, kao što ćete vidjeti, uvijek mora ostati konstantna - pretvara se u toplinsku energiju.
Objekt i okolica bilježe porasttemperatura, koje jekvantificirana manifestacija toplinske energije i prijenosa topline, izmjereno u stupnjevima Celzijusa (° C), stupnjevima Fahrenheita (° F) ili Kelvinima (K). Kad predmeti gube toplinu, padaju na nižu temperaturu.
Samo što je energija?
Energija dolazi u raznim oblicima, kao i u raznim jedinicama, a najčešće sudžul (J), nazvan po Jamesu Prescottu Jouleu. Sam džul ima jedinice snage pomnožene s udaljenostom ili njutn-metrima (N⋅m). Još temeljnije, jedinice energije su kg⋅m2/ s2.
Jedan pojam usko vezan za energiju jeraditi, koji ima jediniceodenergije, ali se ne uzima u obzirkaoenergije od strane fizičara. Može se reći da se posao "radi na" asustavdodavanjem energije u njega, što rezultira fizičkom promjenom sustava (npr. pomiče klip ili okreće magnetsku zavojnicu - to jest, obavlja koristan posao). Sustav je bilo koja fizička postava s jasno definiranim granicama, koja čak može biti i Zemlja u cjelini.
Uz toplinsku energiju (obično se piše Q) i kinetičku energiju ("normalnu" linearnu ili rotacijsku vrstu), druge vrste energije uključujupotencijalna energija, mehanička energijaielektrična energija. Kritični aspekt energije je da, bez obzira kako se pojavljuje u bilo kojem sustavu, ona je uvijek takvakonzervirano.
Toplinska energija: najmanje koristan oblik energije
Kada postoji prijenos toplinske energije u okoliš (tj. Ona se "rasipa" ili "gubi"), od naravno da se nikakva energija zapravo ne uništava na bilo koji način, jer bi to narušilo očuvanje energije.
Ta se toplina, međutim, ne može u potpunosti povratiti i ponovno upotrijebiti, zbog čega se naziva manje korisnim oblikom energije. Kad god zimi prođete pored zgrade ili uzdušnog otvora i kada istječe nepregledni oblak pare ili toplog zraka, to je jasan primjer toplinske energije koja je "beskorisna" energija. S druge strane, atoplotna mašinapoput onog u automobilima na benzinski pogon koristi toplinsku energiju za mehaničku energiju.
Toplinska energija i temperatura
Temperatura predmeta ili sustava mjeri se zaprosječnotranslacijska kinetička energija po molekuli tog predmeta, dok je toplinska energija ukupna unutarnja energija sustava. Kad se čestice kreću, uvijek postoji kinetička energija. Pomicanje topline prema temperaturnom gradijentu zahtijeva rad, kao što je uporaba dizalica topline.
Vrućina i svakodnevni svijet
Toplinska energija se ovdje može pojaviti kao nevaljala količina, ali može biti i izvrsno se koristi u kuhanju i drugim stvarima. Kada probavljate hranu, kemijsku energiju iz veza u ugljikohidratima, bjelančevinama i mastima pretvarate u zagrijavanje (uobičajeno "kalorije" umjesto džula).
Trenjestvara toplinu, često u žurbi. Ako ruke brzo trljate, brzo će se zagrijati. Automatsko oružje ispaljuje metke iz cijevi tako brzo da metal gotovo odmah postane opasno vruć na dodir.
Toplinska energija i očuvanje energije: Primjer
Razmislite o mramoru koji se valja oko posude. "Sustav" također uključuje okoliš (tj. Zemlju u cjelini). Kako se kreće bočnom stranom, sve više njegove ukupne energije pretvara se u gravitacijsku potencijalnu energiju; kako se ubrzava pri dnu, sve se više energije pretvara u kinetičku. Da je ovo cijela priča, mramor bi se stalno penjao gore-dolje, dosežući iste visine i brzine sa svakim ciklusom.
Umjesto toga, svaki put kad se mramor popne sa strane, penje se malo manje visoko, a njegova brzina na dnu je nešto manja, dok na kraju mramor ne zastane na dnu. To je zato što se cijelo vrijeme valjanja mramora sve više i više pretvaralo "pitu" ukupne energije na sve veći i veći "dio" toplinske energije i rasipa se u okoliš, a uređaj više ne može koristiti mramor. Na dnu je sva energija sustava "postala" toplinska energija.
Jednadžba toplinske energije: toplinski kapacitet
Jedna od jednadžbi s kojom se možete susresti je ona zatoplinski kapacitet:
Q = mC \ Delta T
gdjePje toplinska energija u džulima,mje masa predmeta koji se zagrijava,Cje objektodređena toplina kapacitetidelta Tje njegova promjena temperature u Celzijusu. Specifični toplinski kapacitet tvari jekoličina energije potrebna za povišenje temperature od 1 grama te tvari za 1 Celzijev stupanj.
Tako veći toplinski kapaciteti podrazumijevaju veći otpor na promjenu temperature za danu masu tvari, a veća masa sama po sebi znači veći toplinski kapacitet. Ovo ima intuitivan smisao; ako ste 10 minuta vode u mikrovalnoj pećnici izlagali "visokoj temperaturi" tijekom jedne minute, promjena temperature bit će daleko veće nego da ste zagrijavali 1.000 ml vode počevši od iste temperature tijekom istog vremena.
Zakoni termodinamike
Termodinamika je proučavanje načina rada, topline i unutarnje energije u sustavu. Važno je da se radi samo o opsežnim opažanjima koja se mogu izmjeriti; kinetička teorija plinova bavi se interakcijama na razini vibracija.
Prvi zakon termodinamikenavodi da se promjene unutarnje energije mogu objasniti gubicima topline: ΔE = Q - W, gdjeΔEje promjena unutarnje energije (Δ je grčko slovo "delta", a ovdje znači "razlika"),Pje količina prenesene toplinske energijeusustav iWje obavljeni posaoposustav na okolini.
Drugi zakon termodinamikenavodi da kad god se radi, iznos odentropijau atmosferi se povećava. Stoga protok toplinske energije kontinuirano uzrokuje povećanje entropije.
- Entropija (S) je varijabla stanja, termodinamičko svojstvo sustava koje labavo znači "poremećaj", a njegovo kretanje može se izraziti kao
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Treći zakon termodinamikenavodi da entropijaSsustava približava se konstantnoj vrijednosti kao temperaturaTpribližava seapsolutna nula(0 K ili -273 ° C).
Kada je jedan objekt na višoj temperaturi od obližnjeg objekta, ta temperaturna razlika pogoduje prijenosu energije u obliku topline na hladniji objekt.
Tri su osnovna načina za postizanje prijenosa topline s jednog predmeta na drugi:Kondukcija(izravan kontakt),konvekcija(kretanje kroz tekućinu ili plin) i termičkoradijacija(kretanje kroz prostor).
