Energia cieplna: definicja, równanie, typy (z diagramem i przykładami)

Energia cieplna, zwana równieżenergia cieplnalub po prostuciepło, jest typemwewnętrznymówi się, że energia, jaką obiekt posiada, jest dzięki energii kinetycznej cząstek składowych.

Sama energia, choć dość łatwa do zdefiniowania w kategoriach matematycznych, jest jedną z bardziej nieuchwytnych wielkości w fizyce pod względem tego, co jest fundamentalniejest. Istnieje wiele form energii i łatwiej jest zdefiniować energię w kategoriach ograniczeń jej arytmetycznego zachowania niż sformułować ją precyzyjnym językiem.

w odróżnieniutranslacyjnylubrotacyjnyenergia kinetyczna, która powstaje w wyniku ruchu odpowiednio na pewnej odległości liniowej lub po okręgu (a te mogą występować razem, jak w przypadku rzutu Frisbee), energia cieplna pochodzi z ruchu ogromnej liczby maleńkich cząstek, ruchu, który można uznać za wibrację wokół stałych punktów w przestrzeń.

Średnio każda cząsteczka znajduje się w określonym miejscu w rozszerzonym systemie podczas wędrówki gorączkowo o tym punkcie, nawet jeśli w żadnym momencie nie jest statystycznie prawdopodobne, że cząstka będzie znalezione tam. Przypomina to raczej średnią pozycję Ziemi w czasie, która jest blisko środka Słońca, chociaż taki układ (na szczęście!) nigdy nie występuje.

Za każdym razem, gdy stykają się dwa materiały, w tym powietrze,tarciewyniki, a część całkowitej energii systemu – która, jak zobaczysz, musi zawsze pozostać stała – jest przekształcana w energię cieplną.

Obiekt i jego otoczenie doświadczają wzrostutemperatura, który jestwymierna manifestacja energii cieplnej i wymiany ciepła, mierzone w stopniach Celsjusza (°C), stopniach Fahrenheita (°F) lub Kelvinach (K). Gdy przedmioty tracą ciepło, spadają do niższej temperatury.

Energia występuje w różnych formach, a także w różnych jednostkach, z których najczęstszą jestdżul (J), nazwany na cześć Jamesa Prescotta Joule'a. Sam dżul ma jednostki siły razy odległość lub niutonometry (N⋅m). Bardziej fundamentalnie jednostkami energii są kg⋅m²/s².

Jedną z koncepcji ściśle związanych z energią jestpraca, który ma jednostkizenergia, ale nie jest uważanatak jakenergia przez fizyków. Można powiedzieć, że praca jest „wykonana” asystemdodając do niego energię, co powoduje fizyczną zmianę w układzie (np. porusza tłokiem lub obraca cewkę magnetyczną – czyli wykonuje pożyteczną pracę). System to każdy fizyczny układ z jasno określonymi granicami, którym może być nawet Ziemia jako całość.

Oprócz energii cieplnej (zazwyczaj zapisywanej Q) i energii kinetycznej ("normalny" rodzaj liniowy lub rotacyjny), inne rodzaje energii obejmująenergia potencjalna​, ​energia mechanicznaienergia elektryczna. Krytycznym aspektem energii jest to, że bez względu na to, jak pojawia się w dowolnym systemie, zawsze jestkonserwowany​.

Gdy następuje transfer energii cieplnej do otoczenia (tj. „rozprasza się” lub „unika”), Oczywiście żadna energia nie jest w żaden sposób niszczona, ponieważ naruszałoby to zachowanie energia.

Ciepła tego nie można jednak w pełni odzyskać i ponownie wykorzystać, dlatego nazywa się je mniej użyteczną formą energii. Ilekroć zimą przechodzisz obok budynku lub wywietrznika naziemnego i niekończąca się chmura pary lub ciepłego powietrza wypływa z niego, jest to wyraźny przykład energii cieplnej, która jest „bezużyteczną” energią. Z drugiej stronysilnik cieplnypodobnie jak w samochodach benzynowych, wykorzystuje energię cieplną do energii mechanicznej.

Temperatura obiektu lub systemu jest miarąśrednitranslacyjna energia kinetyczna na cząsteczkę tego obiektu, podczas gdy energia cieplna jest całkowitą energią wewnętrzną układu. Kiedy cząstki się poruszają, zawsze istnieje energia kinetyczna. Przenoszenie ciepła w górę wbrew gradientowi temperatury wymaga pracy, takiej jak użycie pomp ciepła.

Energia cieplna może pojawiać się tutaj jako nieuczciwa ilość, ale może być i jest doskonale wykorzystywana w kuchni i innych królestwach. Kiedy trawisz jedzenie, zamieniasz energię chemiczną z wiązań w węglowodanach, białkach i tłuszczach na ciepło ("kalorie" zamiast dżuli w potocznym języku).

​Tarciegeneruje ciepło, często w pośpiechu. Jeśli szybko pocierasz dłonie, szybko się rozgrzeją. Broń automatyczna wystrzeliwuje pociski z lufy tak szybko, że metal staje się niebezpiecznie gorący w dotyku niemal natychmiast.

Rozważ marmur toczący się w misce. „System” obejmuje również środowisko (tj. Ziemię jako całość). Gdy porusza się w górę, większa część jego całkowitej energii jest przekształcana w potencjalną energię grawitacyjną; gdy przyspiesza w pobliżu dna, większa część tej energii jest przekształcana w energię kinetyczną. Gdyby to była cała historia, kulka bez końca by się podnosiła i opadała, osiągając te same wysokości i prędkości w każdym cyklu.

Zamiast tego, za każdym razem, gdy kulka podnosi się z boku, wspina się nieco mniej wysoko, a jej prędkość na dole jest nieco mniejsza, aż w końcu kulka zatrzyma się na dnie. Dzieje się tak dlatego, że przez cały czas, gdy kulka się toczyła, coraz więcej „tortu” o całkowitej energii było przekształcane na coraz większy „kawałek” energii cieplnej i rozpraszany do otoczenia, nie nadający się już do wykorzystania przez marmur. Na dole cała energia systemu „stała się” energią cieplną.

Jednym z równań, które możesz napotkać, jest równanie dlapojemność cieplna​:

gdzieQto energia cieplna w dżulach,mijest masa ogrzewanego obiektu,dojest obiektemciepło właściwe​ ​Pojemnośćidelta Tjest jego zmiana temperatury w stopniach Celsjusza. Ciepło właściwe substancji toilość energii potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama tej substancji o 1 stopień Celsjusza​.

Wyższe pojemności cieplne implikują zatem większą odporność na zmiany temperatury dla danej masy substancji, a większa masa sama w sobie oznacza większą pojemność cieplną. Ma to intuicyjny sens; jeśli wystawisz 10 ml wody na „wysoką” temperaturę w kuchence mikrofalowej przez jedną minutę, zmiana temperatury będzie duża większa niż w przypadku podgrzewania 1000 ml wody, zaczynając od tej samej temperatury przez taki sam czas.

Termodynamika to badanie interakcji pracy, ciepła i energii wewnętrznej w systemie. Co ważne, dotyczy tylko obserwacji na dużą skalę, które można zmierzyć; teoria kinetyczna gazów dotyczy interakcji na poziomie wibracyjnym.

​Pierwsza zasada termodynamikistwierdza, że ​​zmiany energii wewnętrznej można wytłumaczyć stratami ciepła: ΔE = Q – W, ​​gdzieEjest zmianą energii wewnętrznej (Δ to grecka litera „delta” i oznacza tutaj „różnica”),Qto ilość przekazanej energii cieplnejwsystem iWczy praca została wykonana?przezsystem na otoczenie.

​Druga zasada termodynamikistwierdza, że ​​ilekroć praca jest wykonywana, ilość,entropiaw atmosferze wzrasta. W ten sposób przepływ energii cieplnej nieustannie powoduje wzrost entropii.

• Entropia (S) jest zmienną stanu, termodynamiczną właściwością układu, która luźno oznacza „zaburzenie”, a jej ruch można wyrazić jako 

​Trzecia zasada termodynamikistwierdza, że ​​entropiaSsystemu zbliża się do stałej wartości jako temperaturaTzbliża sięzero absolutne(0 K lub -273 C).

Gdy jeden obiekt ma wyższą temperaturę niż pobliski obiekt, ta różnica temperatur sprzyja przekazywaniu energii w postaci ciepła do chłodniejszego obiektu.

Istnieją trzy podstawowe sposoby przenoszenia ciepła z jednego obiektu na drugi:Przewodzenie(bezpośredni kontakt),konwekcja(ruch przez ciecz lub gaz) i termicznepromieniowanie(ruch w przestrzeni).