Thermische energie: definitie, vergelijking, typen (met diagram en voorbeelden)

Thermische energie, ook welWarmte energieof gewoonwarmte, is een soort vaninternenergie die een object zou bezitten vanwege de kinetische energie van de samenstellende deeltjes.

Energie zelf, hoewel eenvoudig genoeg om in wiskundige termen te definiëren, is een van de meer ongrijpbare grootheden in de natuurkunde in termen van wat het fundamenteel is.is. Er zijn veel vormen van energie en het is gemakkelijker om energie te definiëren in termen van de limieten van zijn rekenkundig gedrag dan om het in precieze taal te formuleren.

in tegenstelling tottranslationeelofroterendkinetische energie, die voortkomt uit beweging over respectievelijk een lineaire afstand of in een cirkel (en deze kunnen samen voorkomen, zoals bij een geworpen frisbee), warmte-energie komt van de beweging van grote aantallen kleine deeltjes, beweging die kan worden gezien als trillingen rond vaste punten in ruimte.

Gemiddeld wordt elk deeltje gevonden op een bepaalde plaats binnen het uitgebreide systeem terwijl het ronddwaalt verwoed over dat punt, zelfs als het deeltje op geen enkel moment statistisch waarschijnlijk is daar gevonden. Dit is vergelijkbaar met de gemiddelde positie van de aarde in de loop van de tijd, dicht bij het centrum van de zon, hoewel deze rangschikking (gelukkig!) nooit voorkomt.

Elke keer dat twee materialen met elkaar in contact komen, inclusief lucht,wrijvingresultaten, en een deel van de totale energie van het systeem - die, zoals je zult zien, altijd constant moet blijven - wordt omgezet in thermische energie.

Het object en zijn omgeving ervaren een toename vantemperatuur-, welke is dekwantificeerbare manifestatie van thermische energie en warmteoverdracht, gemeten in graden Celsius (°C), graden Fahrenheit (°F) of Kelvin (K). Wanneer objecten warmte verliezen, dalen ze naar een lagere temperatuur.

Energie komt in verschillende vormen en in verschillende eenheden, waarvan de meest voorkomende dejoule (J), genoemd naar James Prescott Joule. De joule zelf heeft eenheden van kracht maal afstand, of newtonmeters (N).m). Meer fundamenteel zijn de eenheden van energie kg⋅m²/s².

Een concept dat nauw verbonden is met energie is:werk, die eenheden heeftvanenergie, maar wordt niet beschouwdnet zoenergie door natuurkundigen. Werk kan worden gezegd dat het "gedaan is aan" asysteemdoor er energie aan toe te voegen, wat resulteert in een fysieke verandering in het systeem (het beweegt bijvoorbeeld een zuiger of roteert een magnetische spoel - dat wil zeggen, doet nuttig werk). Een systeem is elke fysieke opstelling met duidelijk gedefinieerde grenzen, die zelfs de aarde als geheel kan zijn.

Naast warmte-energie (meestal geschreven Q) en kinetische energie (de "normale" lineaire of roterende soort), omvatten andere soorten energiepotentiële energie​, ​mechanische energieenelektrische energie. Het kritieke aspect van energie is dat, ongeacht hoe het in een systeem verschijnt, het altijd isgeconserveerd​.

Wanneer er overdracht van thermische energie naar de omgeving is (d.w.z. het "verdwijnt" of "gaat verloren"), van er wordt natuurlijk op geen enkele manier energie vernietigd, omdat dit het behoud van energie.

Deze warmte kan echter niet volledig worden teruggewonnen en hergebruikt, daarom wordt het een minder bruikbare vorm van energie genoemd. Wanneer je in de winter een gebouw of een grondventilatie passeert en er stroomt een eindeloze wolk stoom of warme lucht uit, dan is dat een duidelijk voorbeeld van thermische energie die "nutteloze" energie is. Aan de andere kant, eenwarmte motorzoals die in benzine-aangedreven auto's thermische energie gebruikt voor mechanische energie.

De temperatuur van een object of systeem is een maat voor degemiddeldetranslationele kinetische energie per molecuul van dat object, terwijl thermische energie de totale interne energie van het systeem is. Wanneer deeltjes bewegen, is er altijd kinetische energie. Het verplaatsen van warmte tegen een temperatuurgradiënt in vereist arbeid, zoals het gebruik van warmtepompen.

Thermische energie mag hier als een schandalige hoeveelheid verschijnen, maar het kan en wordt uitstekend gebruikt in koken en andere sferen. Wanneer je voedsel verteert, zet je chemische energie van de bindingen in koolhydraten, eiwitten en vet om in warmte ("calorieën" in plaats van joules in gewone termen).

​Wrijvinggenereert warmte, vaak gehaast. Als je je handen snel tegen elkaar wrijft, zullen ze snel opwarmen. Een automatisch wapen vuurt kogels zo snel uit de loop dat het metaal bijna onmiddellijk gevaarlijk heet wordt.

Overweeg een knikker die rondrolt in een kom. Het "systeem" omvat ook de omgeving (d.w.z. de aarde als geheel). Terwijl het opzij beweegt, wordt meer van zijn totale energie omgezet in potentiële zwaartekrachtenergie; naarmate het dichter bij de bodem versnelt, wordt meer van die energie omgezet in kinetische energie. Als dit het hele verhaal was, zou de knikker voor altijd op en neer blijven gaan en bij elke cyclus dezelfde hoogten en snelheden bereiken.

In plaats daarvan, elke keer dat de knikker aan de zijkant omhoog komt, klimt hij een beetje minder hoog, en zijn snelheid aan de onderkant is een beetje minder, totdat de knikker uiteindelijk aan de onderkant tot stilstand komt. Dit komt omdat de hele tijd dat de knikker aan het rollen was, meer en meer van de totale energie "taart" werd omgezet tot een steeds groter "plakje" thermische energie en afgevoerd naar het milieu, niet langer bruikbaar door de marmeren. Aan de onderkant is alle energie van het systeem "geworden" thermische energie.

Een van de vergelijkingen die u kunt tegenkomen, is die voorwarmte capaciteit​:

waarVraagis thermische energie in joule,mis de massa van het object dat wordt verwarmd,Cis van het objectspecifieke hitte​ ​capaciteitendelta Tis de verandering in temperatuur in Celsius. De soortelijke warmtecapaciteit van een stof is dehoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 gram van die stof met 1 graad Celsius te verhogen​.

Hogere warmtecapaciteiten impliceren dus een grotere weerstand tegen temperatuurverandering voor een bepaalde massa van een stof, en meer massa op zich betekent een hogere warmtecapaciteit. Dit is intuïtief logisch; als je 10 ml water gedurende één minuut in een magnetron "hoog" hebt gezet, zal de temperatuurverandering ver zijn groter is dan wanneer u gedurende dezelfde tijd 1000 ml water vanaf dezelfde temperatuur zou verwarmen.

Thermodynamica is de studie van hoe werk, warmte en interne energie op elkaar inwerken in een systeem. Belangrijk is dat het alleen gaat om grootschalige waarnemingen die kunnen worden gemeten; de kinetische theorie van gassen richt zich op interacties op trillingsniveau.

​De eerste wet van de thermodynamicastelt dat veranderingen in interne energie kunnen worden verklaard door warmteverliezen: ΔE = Q – W, ​​waarbijEis verandering in interne energie (Δ is de Griekse letter "delta" en betekent hier "verschil")Vraagis de hoeveelheid overgedragen thermische energieinhet systeem enWis het werk gedaan?doorhet systeem op de omgeving.

​De tweede wet van de thermodynamicastelt dat wanneer er gewerkt wordt, de hoeveelheidentropiein de atmosfeer neemt toe. Dus de stroom van thermische energie zorgt er voortdurend voor dat de entropie toeneemt.

• Entropie (S) is een toestandsvariabele, een thermodynamische eigenschap van een systeem dat losjes 'stoornis' betekent, en de beweging ervan kan worden uitgedrukt als 

​De derde wet van de thermodynamicastelt dat de entropieSvan een systeem een ​​constante waarde benadert als de temperatuurTnadertabsolute nulpunt(0 K, of -273 C).

Wanneer een object een hogere temperatuur heeft dan een nabijgelegen object, bevordert dit temperatuurverschil de energieoverdracht in de vorm van warmte naar het koelere object.

Er zijn drie basismanieren om de overdracht van warmte van het ene object naar het andere te bewerkstelligen:Geleiding(direct contact),convectie(beweging door een vloeistof of gas) en thermischestraling(beweging door de ruimte).