Тепловая энергия, также называемаятепловая энергияили простонагревать, это типвнутреннийэнергия, которой объект обладает благодаря кинетической энергии составляющих его частиц.
Сама энергия, хотя ее достаточно легко определить в математических терминах, является одной из самых труднодостижимых величин в физике с точки зрения того, что в ее основеявляется. Есть много форм энергии, и легче определить энергию в терминах пределов ее арифметического поведения, чем сформулировать ее точным языком.
в отличиепереводнойили жевращающийсякинетическая энергия, которая возникает в результате движения на некотором линейном расстоянии или по кругу соответственно (и они могут происходить вместе, как при броске Фрисби), тепловая энергия исходит от движения огромного количества крошечных частиц, движения, которое можно представить как вибрацию вокруг фиксированных точек в пространстве. космос.
В среднем каждая частица находится в определенном месте внутри расширенной системы, когда она блуждает. лихорадочно об этом моменте, даже если ни в какой момент времени частица статистически не может быть нашел там. Это скорее похоже на среднее положение Земли с течением времени, близкое к центру Солнца, хотя такое расположение (к счастью!) Никогда не происходит.
Каждый раз, когда два материала вступают в контакт, включая воздух,трениерезультатов, и некоторая часть общей энергии системы, которая, как вы увидите, всегда должна оставаться постоянной, преобразуется в тепловую энергию.
Объект и его окружение испытывают увеличениетемпература, какойколичественное проявление тепловой энергии и теплопередачи, измеряется в градусах Цельсия (° C), градусах Фаренгейта (° F) или Кельвинах (K). Когда предметы теряют тепло, они опускаются до более низкой температуры.
Что такое энергия?
Энергия бывает в разных формах, а также в различных единицах, наиболее распространенными из которых являютсяджоуль (Дж), названный в честь Джеймса Прескотта Джоуля. Сам джоуль состоит из единиц силы, умноженной на расстояние, или ньютон-метров (Н · м). Более фундаментально, единицы энергии - кгм2/ с2.
Одно из понятий, тесно связанных с энергией, - этоРабота, в котором есть единицыизэнергия, но не рассматриваетсяв видеэнергия физиками. Можно сказать, что работа "сделана" насистемадобавляя к нему энергию, что приводит к физическим изменениям в системе (например, он перемещает поршень или вращает магнитную катушку, то есть выполняет полезную работу). Система - это любое физическое устройство с четко определенными границами, которым может быть даже Земля в целом.
В дополнение к тепловой энергии (обычно обозначаемой Q) и кинетической энергии («нормальный» линейный или вращательный вид), другие типы энергии включаютпотенциальная энергия, механическая энергияа такжеэлектроэнергия. Важнейший аспект энергии состоит в том, что независимо от того, как она проявляется в любой системе, она всегда остается неизменной.сохраненный.
Тепловая энергия: наименее полезная форма энергии
Когда происходит передача тепловой энергии в окружающую среду (т.е. она «рассеивается» или «теряется»), конечно, никакая энергия на самом деле не разрушается, так как это нарушило бы сохранение энергия.
Однако это тепло не может быть полностью уловлено и повторно использовано, поэтому его называют менее полезной формой энергии. Когда зимой вы проезжаете мимо здания или наземного вентиляционного отверстия, и из него выходит бесконечное облако пара или теплого воздуха, это наглядный пример тепловой энергии, которая является «бесполезной» энергией. С другой стороны,Тепловой двигательНапример, в автомобилях с бензиновым двигателем тепловая энергия используется для получения механической энергии.
Тепловая энергия и температура
Температура объекта или системы является меройв среднемпоступательная кинетическая энергия на молекулу этого объекта, а тепловая энергия - это полная внутренняя энергия системы. Когда частицы движутся, всегда есть кинетическая энергия. Перемещение тепла вверх против температурного градиента требует работы, например использования тепловых насосов.
Жара и повседневный мир
Тепловая энергия может показаться здесь как ненормальная величина, но она может быть отлично использована в кулинарии и других сферах. Когда вы перевариваете пищу, вы превращаете химическую энергию из связей в углеводах, белках и жирах в тепло («калории» вместо джоулей в обычном понимании).
Трениевыделяет тепло, часто спешит. Если быстро потереть руки, они быстро нагреются. Автоматическое оружие выпускает пули из ствола так быстро, что металл почти сразу становится опасно горячим на ощупь.
Тепловая энергия и сохранение энергии: пример
Представьте себе мрамор, катящийся внутри чаши. «Система» также включает в себя окружающую среду (то есть Землю в целом). По мере того, как он движется вверх, большая часть его полной энергии преобразуется в гравитационную потенциальную энергию; по мере того, как он ускоряется у дна, большая часть этой энергии преобразуется в кинетическую энергию. Если бы это была вся история, шарик продолжал бы подниматься и опускаться вечно, достигая одинаковых высот и скоростей с каждым циклом.
Вместо этого каждый раз, когда шарик поднимается сбоку, он поднимается немного ниже и его скорость внизу немного меньше, пока в конце концов шарик не остановится внизу. Это потому, что все время, пока шарик катился, все больше и больше «пирога» полной энергии преобразовывалось. к все большему и большему «срезу» тепловой энергии и рассеивается в окружающую среду, больше не используется мрамор. Внизу вся энергия системы «стала» тепловой энергией.
Уравнение тепловой энергии: теплоемкость
Одно из уравнений, с которыми вы можете столкнуться, предназначено длятеплоемкость:
Q = mC \ Delta T
гдеQтепловая энергия в джоулях,ммасса нагреваемого объекта,Cэто объектудельная теплоемкость вместимостьа такжедельта Тэто изменение температуры в градусах Цельсия. Удельная теплоемкость вещества - этоколичество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма этого вещества на 1 градус Цельсия.
Таким образом, более высокая теплоемкость означает большее сопротивление изменению температуры для данной массы вещества, а большая масса сама по себе означает более высокую теплоемкость. Это имеет интуитивный смысл; если вы поместили 10 мл воды в микроволновую печь в течение одной минуты, изменение температуры будет значительным. больше, чем если бы вы нагревали 1000 мл воды при той же температуре в течение того же времени.
Законы термодинамики
Термодинамика - это изучение того, как работа, тепло и внутренняя энергия взаимодействуют в системе. Важно отметить, что это касается только крупномасштабных наблюдений, которые можно измерить; кинетическая теория газов рассматривает взаимодействия на колебательном уровне.
Первый закон термодинамикиутверждает, что изменения внутренней энергии можно объяснить тепловыми потерями: ΔE = Q - W, гдеΔE- изменение внутренней энергии (Δ - греческая буква «дельта», здесь означает «разница»),Qколичество переданной тепловой энергиивсистема иWработа сделанаотсистема по окрестностям.
Второй закон термодинамикизаявляет, что всякий раз, когда работа сделана, количествоэнтропияв атмосфере увеличивается. Таким образом, поток тепловой энергии постоянно увеличивает энтропию.
- Энтропия (S) - это переменная состояния, термодинамическое свойство системы, что в широком смысле означает «беспорядок», и ее движение может быть выражено как
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Третий закон термодинамикиутверждает, что энтропияSсистемы приближается к постоянному значению по мере того, как температураТблизкоабсолютный ноль(0 К, или -273 С).
Когда один объект имеет более высокую температуру, чем соседний объект, эта разница температур способствует передаче энергии в виде тепла более холодному объекту.
Есть три основных способа передачи тепла от одного объекта к другому:Проведение(прямой контакт),конвекция(движение в жидкости или газе) и термическоерадиация(движение в пространстве).