Tepelná energia, nazývaná tiežtepelná energiaalebo jednoduchoteplo, je typinternéenergia, o ktorej sa hovorí, že objekt vlastní vďaka kinetickej energii svojich základných častíc.
Samotná energia, aj keď je dosť ľahko ju matematicky definovateľná, patrí medzi nepolapiteľnejšie veličiny vo fyzike, pokiaľ ide o to, čo zásadne predstavujeje. Existuje veľa foriem energie a je ľahšie definovať energiu z hľadiska limitov jej aritmetického správania, ako ju formulovať presne.
Na rozdiel odprekladovýaleborotačnýkinetická energia, ktorá vzniká pohybom po nejakej lineárnej vzdialenosti alebo v kruhu (a môže k nim dôjsť spolu, ako pri vrhnutom Frisbee), tepelná energia pochádza z pohybu veľkého množstva drobných častíc, pohybu, ktorý sa dá považovať za vibráciu okolo pevných bodov v priestor.
V priemere sa každá častica nachádza na konkrétnom mieste v rozšírenom systéme, keď sa potuluje zúrivo o tomto bode, aj keď v žiadnom okamihu nie je častica štatisticky pravdepodobná našiel sa tam. Je to skôr ako priemerná poloha Zeme v priebehu času, ktorá je blízko stredu slnka, aj keď k tomuto usporiadaniu (našťastie!) Nikdy nedôjde.
Kedykoľvek prichádzajú do styku dva materiály vrátane vzduchu,trenievýsledkov a časť celkovej energie systému - ktorá, ako uvidíte, musí vždy zostať konštantná - sa transformuje na tepelnú energiu.
Objekt a jeho okolie zaznamenáva nárastteplota, Ktoré jekvantifikovateľný prejav tepelnej energie a prenosu tepla, merané v stupňoch Celzia (° C), stupňoch Fahrenheita (° F) alebo v Kelvinoch (K). Keď predmety stratia teplo, klesnú na nižšiu teplotu.
Čo je to energia?
Energia má rôzne formy a rôzne jednotky, najbežnejšia je energiajoule (J), pomenovaný pre Jamesa Prescotta Jouleho. Samotný joule má jednotky sily krát vzdialenosť alebo newtonmetre (N⋅m). Podstatnejšie je, že jednotky energie sú kg⋅m2/ s2.
Jeden koncept úzko spojený s energiou jepráca, ktorá má jednotkyzenergie, ale nepovažuje sa toakoenergie fyzikmi. Dá sa povedať, že sa pracuje „na“ asystémpridaním energie do nej, čo má za následok fyzickú zmenu systému (napr. pohybuje piestom alebo otáča magnetickou cievkou - teda robí užitočnú prácu). Systém je akékoľvek fyzické usporiadanie s jasne definovanými hranicami, ktorým môže byť dokonca aj Zem ako celok.
Okrem tepelnej energie (zvyčajne napísanej Q) a kinetickej energie („normálny“ lineárny alebo rotačný druh) patria medzi ďalšie druhy energie ajpotenciálna energia, mechanická energiaaelektrická energia. Kritickým aspektom energie je, že bez ohľadu na to, ako sa objaví v akomkoľvek systéme, vždy jekonzervované.
Tepelná energia: najmenej užitočná forma energie
Keď dôjde k prenosu tepelnej energie do prostredia (tj. „Sa rozptýli“ alebo „sa stratí“), z samozrejme, nijaká energia sa v skutočnosti nijako nezničí, pretože by to narušilo ochranu lokality energie.
Toto teplo však nie je možné úplne znovu získať a znovu použiť, a preto sa mu hovorí menej užitočná forma energie. Kedykoľvek v zime miniete budovu alebo pozemný prieduch a vyteká z nej nekonečný mrak pary alebo teplého vzduchu, je to jasný príklad tepelnej energie, ktorá je „zbytočnou“ energiou. Na druhej strane atepelný motorrovnako ako v automobiloch na benzínový pohon využíva tepelnú energiu na mechanickú energiu.
Tepelná energia a teplota
Teplota objektu alebo systému je mieroupriemertranslačná kinetická energia na molekulu tohto objektu, zatiaľ čo tepelná energia je celková vnútorná energia systému. Pri pohybe častíc vždy existuje kinetická energia. Pohyb tepla smerom hore proti teplotnému gradientu si vyžaduje prácu, napríklad použitie tepelných čerpadiel.
Teplo a každodenný svet
Tepelná energia sa tu môže javiť ako nečestná veličina, ale môže a môže sa výborne využívať pri varení a iných sférach. Pri trávení potravy premieňate chemickú energiu z väzieb v uhľohydrátoch, bielkovinách a tukoch na teplo (všeobecne povedané „kalórie“ namiesto joulov).
Trenievytvára teplo, často v zhone. Ak si rýchlo pretriete ruky, rýchlo sa zahrejú. Automatická zbraň vystreľuje guľky z hlavne tak rýchlo, že sa kov takmer okamžite nebezpečne zahreje na dotyk.
Tepelná energia a úspora energie: príklad
Zvážte mramor, ktorý sa váľa po miske. „Systém“ zahŕňa aj prostredie (t. J. Zem ako celok). Keď sa pohybuje nahor, viac jeho celkovej energie sa premieňa na gravitačnú potenciálnu energiu; ako sa zrýchľuje pri dne, viac tejto energie sa transformuje na kinetickú energiu. Keby to bol celý príbeh, mramor by navždy chodil hore a dole a s každým cyklom dosahoval rovnaké výšky a rýchlosti.
Namiesto toho zakaždým, keď mramor stúpa zboku, stúpa o niečo menej vysoko a jeho rýchlosť v spodnej časti je o niečo menšia, až kým sa mramor nakoniec v dolnej časti nezastaví. Je to preto, že po celú dobu, čo sa mramor valil, sa prevádzalo čoraz viac „koláča“ s celkovou energiou na väčší a väčší "plátok" tepelnej energie a rozptýlený do životného prostredia, ktorý už nie je použiteľný pre mramor. V spodnej časti sa všetka energia systému „stala“ tepelnou energiou.
Rovnica tepelnej energie: tepelná kapacita
Jednou z rovníc, s ktorou sa môžete stretnúť, je rovnica pretepelná kapacita:
Q = mC \ Delta T
kdeQje tepelná energia v jouloch,mje hmotnosť ohrievaného objektu,C.je objektšpecifické teplo kapacitaadelta Tje jeho zmena teploty v stupňoch Celzia. Merná tepelná kapacita látky jemnožstvo energie potrebné na zvýšenie teploty 1 gramu tejto látky o 1 stupeň Celzia.
Vyššie tepelné kapacity teda znamenajú väčšiu odolnosť voči zmenám teploty pre danú hmotnosť látky a väčšia hmotnosť sama o sebe znamená vyššiu tepelnú kapacitu. To dáva intuitívny zmysel; ak ste 10 minút vody vystavili v mikrovlnnej rúre „vysokej“ hodnote po dobu jednej minúty, zmena teploty bude ďaleko väčšie, ako keby ste ohrievali 1 000 ml vody začínajúcej na rovnakú teplotu a rovnako dlho.
Zákony termodynamiky
Termodynamika je štúdium interakcie práce, tepla a vnútornej energie v systéme. Dôležité je, že ide iba o rozsiahle pozorovania, ktoré je možné merať; kinetická teória plynov sa zameriava na interakcie na vibračnej úrovni.
Prvý zákon termodynamikyuvádza, že zmeny vnútornej energie je možné zohľadniť tepelnými stratami: ΔE = Q - W, kdeΔEje zmena vnútornej energie (Δ je grécke písmeno „delta“ a znamená tu „rozdiel“),Qje množstvo prenesenej tepelnej energiedosystému aŽje vykonaná prácaodsystému na okolie.
Druhý zákon termodynamikyuvádza, že vždy, keď je vykonaná práca, sumaentropiav atmosfére sa zvyšuje. Tok tepelnej energie teda neustále spôsobuje zvyšovanie entropie.
- Entropia (S) je stavová premenná, termodynamická vlastnosť systému, ktorá voľne znamená „porucha“, a jej pohyb môžeme vyjadriť ako
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Tretí zákon termodynamikyuvádza, že entropiaSsystému sa blíži ku konštantnej hodnote ako teplotaTblíži saabsolútna nula(0 K alebo -273 ° C).
Ak má jeden objekt vyššiu teplotu ako blízky objekt, tento teplotný rozdiel uprednostňuje prenos energie vo forme tepla do chladnejšieho objektu.
Existujú tri základné spôsoby, ako dosiahnuť prenos tepla z jedného objektu do druhého:Vedenie(priamy kontakt),konvekcia(pohyb cez kvapalinu alebo plyn) a tepelnýžiarenie(pohyb vesmírom).
