Šiluminė energija, dar vadinamašilumos energijaarba paprasčiausiaišilumosyra tipovidinisenergija, kurią objektas turi dėl savo sudedamųjų dalelių kinetinės energijos.
Pati energija, nors ir pakankamai lengva apibrėžti matematiniais terminais, yra viena iš sunkiau matomų fizikos kiekių, kalbant apie tai, ką ji iš esmės teikiayra. Yra daug energijos formų, ir ją lengviau apibrėžti atsižvelgiant į jos aritmetinio elgesio ribas, nei ji turi būti suformuluota tikslia kalba.
Skirtingaivertimoarbarotaciniskinetinė energija, atsirandanti judant atitinkamai tiesiniu atstumu arba apskritime (ir tai gali atsirasti kartu, kaip ir užmetus „Frisbee“), šilumos energija gaunama iš daugybės mažų dalelių judėjimo, kurį galima laikyti vibracija aplink fiksuotus taškus vietos.
Klaidžiodama kiekviena dalelė vidutiniškai randama tam tikroje išplėstinės sistemos vietoje beprotiškai apie tą tašką, net jei nė viena laiko dalimi statistiškai nėra tikimybės rado ten. Tai panašu į tai, kad vidutinė Žemės padėtis laikui bėgant yra arti saulės centro, nors tokia tvarka (laimei!) Niekada neįvyksta.
Bet kada, kai liečiasi dvi medžiagos, įskaitant orą,trintisrezultatus, o dalis visos sistemos energijos - kuri, kaip pamatysite, visada turi likti pastovi - virsta šilumine energija.
Objektas ir jo aplinka padidėjatemperatūra, kuris yrakiekybiškai įvertinama šiluminės energijos ir šilumos perdavimo apraiška, matuojamas Celsijaus laipsniais (° C), Farenheito (° F) arba Kelvino (K) laipsniais. Kai daiktai praranda šilumą, jie nukrenta iki žemesnės temperatūros.
Kas yra energija?
Energija yra įvairių formų, taip pat įvairių vienetų, dažniausiai būdingadžaulis (J), pavadintas Jamesu Prescottu Joule'u. Pats džaulis turi jėgos vienetus, atstumą arba niutonmetrą (N⋅m). Iš esmės energijos vienetai yra kg⋅m2/ s2.
Viena sąvoka yra glaudžiai susijusi su energijadarbas, kuris turi vienetusapieenergijos, bet nėra vertinamaskaipfizikų energija. Galima sakyti, kad darbas „padarytas“ asistemapridedant prie jos energijos, dėl kurios sistema fiziškai pasikeičia (pvz., ji juda stūmokliu arba sukasi magnetine ritė - tai yra, atlieka naudingą darbą). Sistema yra bet kokia fizinė sąranga su aiškiai apibrėžtomis ribomis, kuri gali būti net visa Žemė.
Be šilumos energijos (paprastai užrašyto Q) ir kinetinės energijos („įprasto“ tiesinio ar sukimosi tipo), kitos energijos rūšys apimapotencinė energija, mechaninė energijairelektros energija. Kritinis energijos aspektas yra tas, kad ir kaip ji pasirodytų bet kurioje sistemoje, ji visada yrakonservuotas.
Šiluminė energija: mažiausiai naudinga energijos forma
Kai į aplinką perduodama šiluminė energija (t. Y. Ji „išsisklaido“ arba „prarandama“), žinoma, jokia energija jokiu būdu nesunaikinama, nes tai pažeistų energijos.
Tačiau šios šilumos negalima visiškai susigrąžinti ir pakartotinai naudoti, todėl ji vadinama mažiau naudinga energijos forma. Kai žiemą praeini pro pastato ar žemės angą ir išteka begalinis garų ar šilto oro debesis, tai yra aiškus „nenaudingos“ šilumos energijos pavyzdys. Kita vertus, ašilumos varikliskaip ir benzininiais automobiliais, mechaninei energijai panaudoti šiluminę energiją.
Šilumos energija ir temperatūra
Objekto ar sistemos temperatūra yra matasvidutiniskinetinė energija to objekto molekulėje, tuo tarpu šiluminė energija yra visa sistemos vidinė energija. Kai dalelės juda, visada yra kinetinė energija. Norint pakelti šilumą aukštyn, palyginti su temperatūros gradientu, reikia dirbti, pavyzdžiui, naudoti šilumos siurblius.
Karštis ir kasdienis pasaulis
Šilumos energija čia gali pasirodyti kaip nesąžiningas kiekis, tačiau ji gali būti naudojama ir yra puikiai naudojama kulinarijoje ir kitose srityse. Virškindamas maistą, iš angliavandenių, baltymų ir riebalų jungčių esančią cheminę energiją paverčiate šiluma („kalorijomis“, o ne džauliais paprastai).
Trintisgeneruoja šilumą, dažnai skubėdama. Jei greitai patrinsite rankas, jos greitai sušils. Automatinis ginklas iššaudo kulkas iš statinės taip greitai, kad metalas beveik iškart pavojingai liečia.
Šiluminė energija ir energijos taupymas: pavyzdys
Apsvarstykite marmurą, riedantį dubenyje. „Sistema“ apima ir aplinką (t. Y. Visą Žemę). Judant šonu, daugiau visos energijos paverčiama gravitacine potencialia energija; greitėjant netoli dugno, daugiau tos energijos paverčiama kinetine energija. Jei tai būtų visa istorija, marmuras amžiams vis liptų aukštyn ir žemyn, kiekvienu ciklu pasiekdamas tą patį aukštį ir greitį.
Vietoj to, kiekvieną kartą, kai marmuras kyla šonu, jis užlipa šiek tiek mažiau aukštai, o jo greitis apačioje yra šiek tiek mažesnis, kol galų gale marmuras atsiduria apačioje. Taip yra todėl, kad visą laiką, kai marmuras riedėjo, vis daugiau energijos virto visos energijos „pyragu“ į didesnę ir didesnę šiluminės energijos „skiltelę“ ir išsisklaidžiusią aplinkoje, jau nebetinkama naudoti marmuras. Apačioje visa sistemos energija „tapo“ šilumine energija.
Šiluminės energijos lygtis: šilumos talpa
Viena iš lygčių, su kuriomis galite susidurti, yra vienašilumos talpa:
Q = mC \ Delta T.
kurKlausimasyra šilumos energija džauliais,myra šildomo objekto masė,Cyra objektospecifinė šiluma talpairdelta Tyra jo temperatūros pokytis Celsijaus laipsniais. Specifinė medžiagos šiluminė talpa yraenergijos kiekio, reikalingo 1 gramo tos medžiagos temperatūrai pakelti 1 laipsniu Celsijaus.
Didesni šilumos pajėgumai reiškia didesnį atsparumą temperatūros pokyčiams tam tikroje medžiagos masėje, o didesnė masė savaime reiškia didesnę šilumos talpą. Tai turi intuityvią prasmę; jei mikrobangų krosnelėje vieną minutę veikiate 10 ml vandens „aukštai“, temperatūros pokytis bus toli didesnis nei tuo atveju, jei tą pačią laiką kaitintumėte 1000 ml vandens, pradėdami nuo tos pačios temperatūros.
Termodinamikos dėsniai
Termodinamika yra tyrimas, kaip darbas, šiluma ir vidinė energija sąveikauja sistemoje. Svarbu tai, kad tai susiję tik su didelio masto stebėjimais, kuriuos galima išmatuoti; kinetinė dujų teorija nagrinėja vibracijos lygio sąveiką.
Pirmasis termodinamikos dėsnisteigia, kad vidinės energijos pokyčius galima paaiškinti šilumos nuostoliais: ΔE = Q - W, kurΔEyra vidinės energijos pokytis (Δ yra graikų raidė „delta“ ir čia reiškia „skirtumas“),Klausimasyra perduodamos šilumos energijos kiekisįsistema irWyra atliktas darbaspateikėaplinkoje esančią sistemą.
Antrasis termodinamikos dėsnisteigiama, kad kai tik atliekamas darbas,entropijaatmosferoje didėja. Taigi šiluminės energijos srautas nuolat didina entropiją.
- Entropija (S) yra būsenos kintamasis, sistemos termodinaminė savybė, laisvai reiškianti „sutrikimą“, o jos judėjimą galima išreikšti kaip
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Trečiasis termodinamikos dėsnisteigia, kad entropijaSsistemos temperatūra artėja prie pastovios vertėsTartėjaabsoliutus nulis(0 K arba -273 C).
Kai vieno objekto temperatūra yra aukštesnė nei šalia esančio objekto, šis temperatūrų skirtumas palaiko energijos perdavimą šilumos pavidalu į vėsesnį objektą.
Yra trys pagrindiniai būdai, kaip pasiekti šilumos perdavimą iš vieno objekto į kitą:Laidumas(tiesioginis kontaktas),konvekcija(judėjimas skysčiu ar dujomis) ir terminisradiacija(judėjimas erdvėje).