Energia termica, detta ancheenergia termicao semplicementecalore, è un tipo diinternoenergia si dice che un oggetto possiede a causa dell'energia cinetica delle sue particelle costituenti.
L'energia stessa, sebbene abbastanza facile da definire in termini matematici, è tra le quantità più sfuggenti in fisica in termini di ciò che fondamentalmenteè. Esistono molte forme di energia ed è più facile definire l'energia in termini di limiti al suo comportamento aritmetico che inquadrarla in un linguaggio preciso.
a differenza ditraslazionaleorotazionaleenergia cinetica, che derivano dal movimento attraverso una certa distanza lineare o in un cerchio, rispettivamente (e questi possono verificarsi insieme, come con un lancio frisbee), l'energia termica deriva dal movimento di un gran numero di minuscole particelle, movimento che può essere pensato come una vibrazione attorno a punti fissi in spazio.
In media, ogni particella si trova in un luogo particolare all'interno del sistema esteso mentre vaga freneticamente su quel punto, anche se in nessun momento è statisticamente probabile che la particella sia trovato lì. Questo è un po' come la posizione media della Terra nel tempo vicino al centro del sole anche se questa disposizione (fortunatamente!) non si verifica mai.
Ogni volta che due materiali entrano in contatto, compresa l'aria,attritorisultati, e una parte dell'energia totale del sistema – che, come vedrai, deve rimanere sempre costante – si trasforma in energia termica.
L'oggetto e l'ambiente circostante subiscono un aumento ditemperatura, qual èmanifestazione quantificabile di energia termica e trasferimento di calore, misurato in gradi Celsius (°C), gradi Fahrenheit (°F) o Kelvin (K). Quando gli oggetti perdono calore, scendono a una temperatura più bassa.
Che cos'è l'energia?
L'energia si presenta in varie forme e in varie unità, la più comune è lajoule (J), dal nome di James Prescott Joule. Il joule stesso ha unità di forza per distanza, o newton-metri (N⋅m). Più fondamentalmente, le unità di energia sono kg⋅m2/S2.
Un concetto strettamente legato all'energia èlavoro, che ha unitàdienergia ma non è consideratacomeenergia dai fisici. Si può dire che il lavoro è "fatto su" asistemaaggiungendo energia ad esso, che si traduce in un cambiamento fisico nel sistema (ad esempio, muove un pistone o ruota una bobina magnetica, cioè fa un lavoro utile). Un sistema è qualsiasi struttura fisica con confini chiaramente definiti, che può anche essere la Terra nel suo insieme.
Oltre all'energia termica (di solito scritta Q) e all'energia cinetica (il tipo "normale" lineare o rotazionale), altri tipi di energia includonoenergia potenziale, energia meccanicaeenergia elettrica. L'aspetto critico dell'energia è che, non importa come appare in qualsiasi sistema, è sempreconservato.
Energia termica: la forma di energia meno utile
Quando c'è trasferimento di energia termica nell'ambiente (cioè si "dissipa" o "si perde"), di ovviamente nessuna energia viene effettivamente distrutta in alcun modo, poiché ciò violerebbe la conservazione di energia.
Questo calore, tuttavia, non può essere completamente recuperato e riutilizzato, motivo per cui è chiamato una forma di energia meno utile. Ogni volta che in inverno si passa davanti a un edificio oa uno sfiato e fuoriesce una nuvola infinita di vapore o aria calda, questo è un chiaro esempio di energia termica che è energia "inutile". D'altra parte, amotore termicocome quello delle auto a benzina utilizza l'energia termica per l'energia meccanica.
Energia termica e temperatura
La temperatura di un oggetto o di un sistema è una misura dellamediaenergia cinetica traslazionale per molecola di quell'oggetto, mentre l'energia termica è l'energia interna totale del sistema. Quando le particelle si muovono, c'è sempre energia cinetica. Spostare il calore verso l'alto contro un gradiente di temperatura richiede lavoro, come l'uso di pompe di calore.
Il caldo e il mondo di tutti i giorni
L'energia termica può apparire qui come una quantità canaglia, ma può essere ed è utilizzata in modo eccellente in cucina e in altri regni. Quando digerisci il cibo, converti l'energia chimica dai legami in carboidrati, proteine e grassi in calore ("calorie" invece di joule in termini comuni).
Attritogenera calore, spesso di fretta. Se strofini velocemente le mani, si scalderanno velocemente. Un'arma automatica spara proiettili dalla canna così rapidamente che il metallo diventa pericolosamente caldo al tatto quasi immediatamente.
Energia termica e conservazione dell'energia: esempio
Considera una biglia che rotola all'interno di una ciotola. Il "sistema" include anche l'ambiente (cioè la Terra nel suo insieme). Mentre si sposta verso l'alto, una parte maggiore della sua energia totale viene convertita in energia potenziale gravitazionale; mentre accelera vicino al fondo, più di quell'energia viene trasformata in energia cinetica. Se questa fosse l'intera storia, il marmo continuerebbe a salire e scendere per sempre, raggiungendo le stesse altezze e velocità ad ogni ciclo.
Invece, ogni volta che la biglia sale di lato, sale un po' meno in alto, e la sua velocità in fondo è un po' meno, finché alla fine la biglia si ferma in fondo. Questo perché per tutto il tempo in cui la biglia stava rotolando, sempre più della "torta" di energia totale veniva convertita ad una "fetta" sempre più grande di energia termica e dissipata nell'ambiente, non più utilizzabile dal marmo. In fondo, tutta l'energia del sistema è “diventata” energia termica.
Equazione dell'energia termica: capacità termica
Una delle equazioni che potresti incontrare è quella percapacità termica:
Q=mC\Delta T
doveQè l'energia termica in joule,mè la massa dell'oggetto da riscaldare,Cè l'oggetto?calore specifico capacitàedelta Tè la sua variazione di temperatura in gradi Celsius. La capacità termica specifica di una sostanza è il isquantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di quella sostanza di 1 grado Celsius.
Maggiori capacità termiche implicano quindi una maggiore resistenza alla variazione di temperatura per una data massa di una sostanza, e più massa di per sé significa una maggiore capacità termica. Questo ha un senso intuitivo; se hai esposto 10 ml di acqua a "alto" in un forno a microonde per un minuto, il cambiamento di temperatura sarà lontano maggiore che se si riscaldassero 1.000 ml di acqua partendo dalla stessa temperatura per lo stesso periodo di tempo.
Le leggi della termodinamica
La termodinamica è lo studio di come il lavoro, il calore e l'energia interna interagiscono in un sistema. È importante sottolineare che si tratta solo di osservazioni su larga scala che possono essere misurate; la teoria cinetica dei gas si occupa delle interazioni a livello vibrazionale.
La prima legge della termodinamicaafferma che le variazioni di energia interna possono essere spiegate dalle perdite di calore: ΔE = Q – W, doveEè il cambiamento nell'energia interna (Δ è la lettera greca "delta" e qui significa "differenza"),Qè la quantità di energia termica trasferitainil sistema eWè il lavoro fatto?diil sistema nei dintorni.
La seconda legge della termodinamicaafferma che ogni volta che il lavoro viene svolto, la quantità dientropianell'atmosfera aumenta. Quindi il flusso di energia termica fa continuamente aumentare l'entropia.
- Entropia (S) è una variabile di stato, una proprietà termodinamica di un sistema che significa vagamente "disordine", e il suo movimento può essere espresso come
\Delta S=\frac{\Delta Q}{T}
Il terzo principio della termodinamicaafferma che l'entropiaSdi un sistema si avvicina a un valore costante come la temperaturaTsi avvicinazero Assoluto(0 K, o -273 C).
Quando un oggetto si trova a una temperatura più alta di un oggetto vicino, questa differenza di temperatura favorisce il trasferimento di energia sotto forma di calore all'oggetto più freddo.
Ci sono tre modi fondamentali per realizzare il trasferimento di calore da un oggetto all'altro:Conduzione(contatto diretto),convezione(movimento attraverso un liquido o un gas) e termicoradiazione(movimento nello spazio).