אנרגיה תרמית, נקראת גםאנרגיית חוםאו בפשטותחוֹם, הוא סוג שלפְּנִימִיאנרגיה שיש לאובייקט להחזיק בשל האנרגיה הקינטית של החלקיקים המרכיבים אותו.
האנרגיה עצמה, למרות שהיא קלה מספיק להגדרה במונחים מתמטיים, היא בין הכמויות החמקמקות יותר בפיזיקה מבחינת מה שהיא ביסודההוא. ישנן צורות רבות של אנרגיה, וקל יותר להגדיר אנרגיה במונחים של גבולות ההתנהגות החשבונית שלה מאשר למסגר אותה בשפה מדויקת.
בניגודתרגוםאוֹסיבובאנרגיה קינטית, הנובעת מתנועה לאורך מרחק לינארי כלשהו או במעגל בהתאמה (ואלה יכולים להתרחש יחד, כמו עם זריקה פריזבי), אנרגיית חום מגיעה מתנועה של מספר עצום של חלקיקים זעירים, תנועה שאפשר לחשוב עליה כרטט סביב נקודות קבועות ב מֶרחָב.
בממוצע, כל חלקיק נמצא במקום מסוים בתוך המערכת המורחבת כשהוא משוטט בטירוף לגבי נקודה זו, גם אם בשום נקודת זמן סביר להניח שהחלקיק סטטיסטי יהיה נמצא שם. זה דומה למיקום הממוצע של כדור הארץ לאורך זמן קרוב למרכז השמש למרות שהסדר זה (למרבה המזל!) לעולם אינו מתרחש.
בכל פעם ששני חומרים באים במגע, כולל אוויר,חיכוךתוצאות, וחלק מהאנרגיה הכוללת של המערכת - שכפי שתראו, חייבת להישאר קבועה תמיד - הופכת לאנרגיה תרמית.
האובייקט וסביבתו חווים עלייה בטֶמפֶּרָטוּרָה, שהוא הביטוי לכימות של אנרגיה תרמית והעברת חום, נמדד במעלות צלזיוס (° C), מעלות פרנהייט (° F) או קלווין (K). כאשר אובייקטים מאבדים חום, הם צונחים לטמפרטורה נמוכה יותר.
רק מהי אנרגיה?
אנרגיה מגיעה בצורות שונות כמו גם ביחידות שונות, הנפוצה ביותר היאג'ול (J), על שם ג'יימס פרסקוט ג'ול. לג'אול עצמו יש יחידות כוח כפול מרחק, או ניוטון-מטר (N⋅m). באופן בסיסי יותר, יחידות האנרגיה הן ק"ג2/ s2.
מושג אחד שקשור קשר הדוק לאנרגיה הואעֲבוֹדָה, שיש בו יחידותשֶׁלאנרגיה אך אינה נחשבתכפי שאנרגיה על ידי פיזיקאים. ניתן לומר שעבודה "נעשית על" אמערכתעל ידי הוספת אנרגיה אליה, מה שמביא לשינוי פיזי במערכת (למשל, הוא מזיז בוכנה או מסובב סליל מגנטי - כלומר, עושה עבודה מועילה). מערכת היא כל מערך פיזי עם גבולות מוגדרים בבירור, שיכול אפילו להיות כדור הארץ בכללותו.
בנוסף לאנרגיית חום (כתוב בדרך כלל Q) ואנרגיה קינטית (הסוג הליניארי או הסיבובי "הרגיל"), סוגים אחרים של אנרגיה כולליםאנרגיה פוטנציאלית, אנרגיה מכניתואנרגיה חשמלית. ההיבט הקריטי של האנרגיה הוא שלא משנה איך היא תופיע במערכת כלשהי, זה תמידמְשׁוּמָר.
אנרגיה תרמית: הצורה הכי פחות שימושית של אנרגיה
כאשר יש העברת אנרגיה תרמית לסביבה (כלומר, היא "מתפוגגת" או "הולכת לאיבוד"), של כמובן שאף אנרגיה לא נהרסת בשום צורה שהיא מכיוון שהיא תפר את שימור אֵנֶרְגִיָה.
עם זאת, לא ניתן להחזיר ולהשתמש מחדש במלואו בחום זה, ולכן הוא נקרא צורה פחות שימושית של אנרגיה. בכל פעם שאתה עובר בניין או פורקן קרקע בחורף וענן אינסופי של קיטור או אוויר חם זורם החוצה, זו דוגמה מובהקת לאנרגיה תרמית שהיא אנרגיה "חסרת תועלת". מצד שני, אמנוע חוםכמו המכוניות המונעות על ידי בנזין משתמשות באנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית.
אנרגיית חום וטמפרטורה
הטמפרטורה של אובייקט או מערכת היא מדד למְמוּצָעאנרגיה קינטית טרנסלציונית למולקולה של אובייקט זה, ואילו אנרגיה תרמית היא האנרגיה הפנימית הכוללת של המערכת. כאשר חלקיקים נעים, תמיד יש אנרגיה קינטית. העברת חום כלפי מעלה כנגד שיפוע טמפרטורה דורשת עבודה, כמו למשל שימוש במשאבות חום.
חום והעולם היומיומי
אנרגיה תרמית עשויה להופיע כאן ככמות נוכלת, אך היא יכולה להיות בשימוש מצוין בבישול ובתחומים אחרים. כשמעכלים מזון, ממירים אנרגיה כימית מהקשרים בפחמימות, חלבונים ושומן לחום ("קלוריות" במקום ג'אול במונחים נפוצים).
חיכוךמייצר חום, לרוב ממהר. אם תשפשף את הידיים במהירות, הן יתחממו במהירות. כלי נשק אוטומטי יורה כדורים מהחבית במהירות כזו, עד שהמתכת הופכת חמה למגע כמעט באופן מיידי.
אנרגיה תרמית ושימור אנרגיה: דוגמא
שקול שיש שמתגלגל בתוך קערה. ה"מערכת "כוללת גם את הסביבה (כלומר, כדור הארץ בכללותו). ככל שהיא נעה בצד, יותר מכל האנרגיה הכוללת שלה מומרת לאנרגיה פוטנציאלית כבידתית; ככל שהיא מואצת בקרבת התחתית, יותר אנרגיה זו הופכת לאנרגיה קינטית. אם זה היה כל הסיפור, השיש היה ממשיך לעלות ולרדת לנצח, ומגיע לאותם גבהים ומהירויות בכל מחזור.
במקום זאת, בכל פעם שהשיש עולה בצד, הוא מטפס מעט פחות גבוה, ומהירותו בתחתית מעט פחות, עד שבסופו של דבר השיש מגיע לנוח בתחתיתו. הסיבה לכך היא כי כל הזמן שהשיש התגלגל, יותר ויותר מ"פאי "האנרגיה הכוללת הומר ל"פרוסה "גדולה וגדולה יותר של אנרגיה תרמית ומתפוגגת לסביבה, כבר לא שמיש על ידי שַׁיִשׁ. בתחתית כל אנרגיות המערכת "הפכו" לאנרגיה תרמית.
משוואת אנרגיה תרמית: קיבולת חום
אחת המשוואות שתיתקל בהן היא זוקיבולת חום:
Q = mC \ Delta T
איפהשהאם אנרגיה תרמית בג'אול,Mהאם מסת האובייקט מחומם,גהוא האובייקטחום ספציפי קיבולתודלתא טהוא שינוי הטמפרטורה שלו בצלזיוס. יכולת החום הספציפית של חומר היאכמות האנרגיה הדרושה כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של חומר זה במעלה אחת צלזיוס.
יכולות חום גבוהות יותר מרמזות אפוא על עמידות רבה יותר לשינוי טמפרטורה עבור מסה מסוימת של חומר, ומסה גדולה יותר כשלעצמה פירושה יכולת חום גבוהה יותר. זה הגיוני אינטואיטיבי; אם חשפתם 10 מ"ל מים ל"גבוהים "במיקרוגל למשך דקה אחת, שינוי הטמפרטורה יהיה רחוק גדול יותר מאשר אם חיממתם 1,000 מ"ל מים החל מאותה טמפרטורה למשך אותו זמן.
חוקי התרמודינמיקה
תרמודינמיקה היא המחקר על האופן שבו עבודה, חום ואנרגיה פנימית מתקשרים במערכת. חשוב לציין כי מדובר רק בתצפיות רחבות היקף שניתן למדוד; התיאוריה הקינטית של גזים עוסקת באינטראקציות ברמת הרטט.
החוק הראשון של התרמודינמיקהקובע שניתן להסביר שינויים באנרגיה הפנימית על ידי הפסדי חום: ΔE = Q - W, איפהΔEהוא שינוי באנרגיה הפנימית (Δ היא האות היוונית "דלתא", ופירושה כאן "הבדל"),שהוא כמות האנרגיה התרמית המועברתלְתוֹךהמערכת וWהאם העבודה נעשתהעל ידיהמערכת על הסביבה.
החוק השני של התרמודינמיקהקובע כי בכל פעם שמתבצעת עבודה, כמותאנטרופיהבאווירה עולה. לפיכך זרימת האנרגיה התרמית גורמת ללא הרף להגברת האנטרופיה.
- אנטרופיה (ס) הוא משתנה מצב, תכונה תרמודינמית של מערכת שמשמעותה באופן רופף "הפרעה", ותנועתה יכולה לבוא לידי ביטוי כ
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
החוק השלישי של התרמודינמיקהקובע כי האנטרופיהסשל מערכת מתקרב לערך קבוע כטמפרטורהטמתקרבאפס מוחלט(0 K, או -273 C).
כאשר אובייקט אחד נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר מאובייקט סמוך, הפרש טמפרטורה זה מעדיף העברת אנרגיה בצורת חום לאובייקט הקריר יותר.
ישנן שלוש דרכים בסיסיות להביא להעברת חום מאובייקט אחד לאחר:הוֹלָכָה חַשְׁמַלִית(קשר ישיר),הולכת חום(תנועה דרך נוזל או גז) ותרמיקְרִינָה(תנועה בחלל).