Energie termică: definiție, ecuație, tipuri (cu diagramă și exemple)

Energia termică, numită șienergie termicăsau pur și simplucăldură, este un tip deinternenergie despre care se spune că posedă un obiect datorită energiei cinetice a particulelor sale constitutive.

Energia însăși, deși este suficient de ușor de definit în termeni matematici, se numără printre cantitățile mai evazive din fizică în ceea ce privește ceea ce este fundamentaleste. Există multe forme de energie și este mai ușor să definești energia în termenii limitelor comportamentului său aritmetic decât să o încadrezi într-un limbaj precis.

Spre deosebire detranslaționalsaurotaționalenergie cinetică, care apare din mișcare pe o anumită distanță liniară sau, respectiv, într-un cerc (și acestea pot apărea împreună, ca la o aruncare Frisbee), energia termică provine din mișcarea unui număr mare de particule minuscule, mișcare care poate fi gândită ca vibrație în jurul punctelor fixe din spaţiu.

În medie, fiecare particulă se găsește într-un anumit loc din cadrul sistemului extins pe măsură ce rătăcește în mod frenetic în legătură cu acel punct, chiar dacă particula nu este probabil din punct de vedere statistic găsit acolo. Aceasta seamănă mai degrabă cu poziția medie a Pământului în timp, fiind aproape de centrul soarelui, chiar dacă acest aranjament (din fericire!) Nu are loc niciodată.

De fiecare dată când două materiale intră în contact, inclusiv aerul,frecarerezultate, iar o parte din energia totală a sistemului - care, după cum veți vedea, trebuie să rămână întotdeauna constantă - se transformă în energie termică.

Obiectul și împrejurimile sale au o creștere întemperatura, care estemanifestare cuantificabilă a energiei termice și a transferului de căldură, măsurată în grade Celsius (° C), grade Fahrenheit (° F) sau Kelvin (K). Când obiectele pierd căldură, scad la o temperatură mai scăzută.

Energia vine în diferite forme, precum și în diferite unități, cea mai comună fiindjoule (J), numit după James Prescott Joule. Joule-ul în sine are unități de forță ori distanță sau newton-metri (N⋅m). Mai fundamental, unitățile de energie sunt kg⋅m²/ s².

Un concept strâns legat de energie estemuncă, care are unitățideenergie, dar nu este privităla fel deenergie de către fizicieni. Se poate spune că munca este „terminată” asistemprin adăugarea de energie la acesta, ceea ce duce la o schimbare fizică a sistemului (de exemplu, acesta mută un piston sau rotește o bobină magnetică - adică funcționează util). Un sistem este orice sistem fizic cu limite clar definite, care poate fi chiar Pământul în ansamblu.

Pe lângă energia termică (de obicei scrisă Q) și energia cinetică (tipul „normal” liniar sau de rotație), alte tipuri de energie includenergie potențială​, ​energie mecanicășienergie electrica. Aspectul critic al energiei este că, indiferent de modul în care apare în orice sistem, este întotdeaunaconservat​.

Când există transfer de energie termică în mediu (adică „se disipează” sau „se pierde”), de Desigur, nici o energie nu este de fapt distrusă în vreun fel, deoarece aceasta ar încălca conservarea energie.

Totuși, această căldură nu poate fi recapturată și refolosită complet, motiv pentru care este numită o formă de energie mai puțin utilă. Ori de câte ori treceți de o clădire sau de un orificiu de sol în timpul iernii și un nor interminabil de abur sau aer cald curge, acesta este un exemplu clar de energie termică care este energie "inutilă". Pe de altă parte, amotor termicla fel ca cea din autoturismele pe benzină folosește energie termică pentru energie mecanică.

Temperatura unui obiect sau sistem este o măsură ain medieenergie cinetică translațională pe moleculă a acelui obiect, în timp ce energia termică este energia internă totală a sistemului. Când particulele se mișcă, există întotdeauna energie cinetică. Deplasarea căldurii în sus împotriva unui gradient de temperatură necesită o muncă, cum ar fi utilizarea pompelor de căldură.

Energia termică poate apărea aici ca o cantitate necinstită, dar poate fi și este folosită excelent în gătit și în alte tărâmuri. Când digerați alimentele, convertiți energia chimică din legăturile din carbohidrați, proteine ​​și grăsimi în căldură („calorii” în loc de jouli în termeni comuni).

​Frecaregenerează căldură, adesea în grabă. Dacă vă frecați rapid mâinile, acestea se vor încălzi rapid. O armă automată trage gloanțe din butoi atât de repede încât metalul devine periculos de fierbinte la atingere aproape imediat.

Luați în considerare o marmură care se rotește în interiorul unui castron. „Sistemul” include și mediul (adică Pământul în ansamblu). Pe măsură ce se deplasează în sus, mai multă din energia sa totală s-a transformat în energie potențială gravitațională; pe măsură ce se accelerează în apropierea fundului, mai multă energie se transformă în energie cinetică. Dacă aceasta ar fi întreaga poveste, marmura ar continua să urce și să coboare pentru totdeauna, atingând aceleași înălțimi și viteze cu fiecare ciclu.

În schimb, de fiecare dată când marmura se ridică lateral, urcă puțin mai puțin, iar viteza sa în partea de jos este puțin mai mică, până când în cele din urmă marmura se oprește în partea de jos. Acest lucru se datorează faptului că tot timpul rulării marmurei, din ce în ce mai mult din „plăcinta” cu energie totală a fost convertită la o "felie" de energie termică din ce în ce mai mare și disipată în mediu, care nu mai poate fi utilizată de marmură. În partea de jos, toată energia sistemului a „devenit” energie termică.

Una dintre ecuațiile pe care le puteți întâlni este cea pentrucapacitate termică​:

UndeÎeste energia termică în jouli,meste masa obiectului care este încălzit,Ceste al obiectuluicăldura specifică​ ​capacitateșidelta Teste schimbarea sa de temperatură în grade Celsius. Capacitatea termică specifică a unei substanțe estecantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura de 1 gram din acea substanță cu 1 grad Celsius​.

Capacitățile de căldură mai mari implică astfel o rezistență mai mare la schimbarea temperaturii pentru o anumită masă a unei substanțe, iar mai multă masă înseamnă, în sine, o capacitate de căldură mai mare. Acest lucru are sens intuitiv; dacă ați expus 10 mL de apă la "mare" într-un cuptor cu microunde timp de un minut, schimbarea temperaturii va fi departe mai mare decât dacă ai încălzi 1.000 mL de apă începând la aceeași temperatură pentru aceeași perioadă de timp.

Termodinamica este studiul modului în care munca, căldura și energia interacționează într-un sistem. Important, este preocupat doar de observații la scară largă care pot fi măsurate; teoria cinetică a gazelor abordează interacțiunile la nivel vibrațional.

​Prima lege a termodinamiciiafirmă că modificările energiei interne pot fi explicate de pierderile de căldură: ΔE = Q - W, undeΔEeste schimbarea energiei interne (Δ este litera greacă „delta” și înseamnă „diferență” aici),Îeste cantitatea de energie termică transferatăînsistemul șiWeste munca depusădesistemul din împrejurimi.

​A doua lege a termodinamiciiafirmă că ori de câte ori se lucrează, suma deentropieîn atmosferă crește. Astfel, fluxul de energie termică determină continuu creșterea entropiei.

• Entropie (S) este o variabilă de stare, o proprietate termodinamică a unui sistem care înseamnă vag "tulburare", iar mișcarea sa poate fi exprimată ca 

​A treia lege a termodinamiciiafirmă că entropiaSunui sistem abordează o valoare constantă ca temperaturaTse apropiezero absolut(0 K sau -273 C).

Atunci când un obiect se află la o temperatură mai mare decât un obiect din apropiere, această diferență de temperatură favorizează transferul de energie sub formă de căldură către obiectul mai rece.

Există trei modalități de bază pentru a realiza transferul de căldură de la un obiect la altul:Conducerea(contact direct),convecție(mișcare printr-un lichid sau gaz) și termicradiații(mișcare prin spațiu).