Toplotna energija, imenovana tuditoplotna energijaali preprostotoplota, je vrstanotranjeenergija, ki naj bi jo imel objekt zaradi kinetične energije sestavnih delcev.
Energija sama, čeprav jo je dovolj enostavno matematično opredeliti, je v fiziki med bolj nedosegljivimi količinami glede na to, kaj v osnovije. Obstaja veliko oblik energije in energijo je lažje opredeliti z vidika omejitev njenega aritmetičnega vedenja, kot pa jo natančno opredeliti.
Za razlikoprevajalskialirotacijskikinetične energije, ki nastanejo zaradi gibanja na neki linearni razdalji oziroma v krogu (in se lahko pojavijo skupaj, kot pri Frizbi), toplotna energija izvira iz gibanja velikega števila drobnih delcev, gibanja, ki ga lahko predstavljamo kot vibracijo okoli fiksnih točk v vesolja.
V povprečju se vsak delček nahaja na določenem mestu v razširjenem sistemu, ko tava mrzlično glede te točke, četudi delci v nobenem trenutku statistično verjetno ne bodo najdeno tam. To je precej podobno povprečnemu položaju Zemlje skozi čas blizu središča sonca, čeprav do te ureditve (na srečo!) Nikoli ne pride.
Vsakič, ko prideta v stik dva materiala, vključno z zrakom,trenjerezultatov in del celotne energije sistema - ki mora, kot boste videli, vedno ostati nespremenjena - se pretvori v toplotno energijo.
Objekt in njegova okolica se povečujetatemperatura, ki jemerljiva manifestacija prenosa toplotne energije in toplote, izmerjeno v stopinjah Celzija (° C), stopinjah Fahrenheita (° F) ali Kelvina (K). Ko predmeti izgubijo toploto, padejo na nižjo temperaturo.
Le kaj je energija?
Energija je v različnih oblikah in v različnih enotah, najpogostejša pa jedžul (J), poimenovano po Jamesu Prescottu Jouleju. Joule ima enote sile, pomnožene z razdaljo, ali njutonmetrov (N⋅m). Bolj bistveno je, da so enote energije kg⋅m2/ s2.
En koncept, ki je tesno povezan z energijo, jedelo, ki ima enoteodenergije, vendar se ne upoštevakotenergije fizikov. Lahko rečemo, da je delo "opravljeno" asistemz dodajanjem energije, kar ima za posledico fizično spremembo sistema (npr. premika bat ali vrti magnetno tuljavo - torej opravlja koristno delo). Sistem je katera koli fizična postavitev z jasno določenimi mejami, ki je lahko celo Zemlja kot celota.
Poleg toplotne energije (običajno napisane Q) in kinetične energije ("normalna" linearna ali rotacijska vrsta) med druge vrste energije spada tudipotencialna energija, mehanska energijainelektrična energija. Ključni vidik energije je, da ne glede na to, kako se pojavi v katerem koli sistemu, je vednoohranjeno.
Toplotna energija: najmanj uporabna oblika energije
Ko pride do prenosa toplotne energije v okolje (tj. "Razprši se" ali "se izgubi"), od Seveda se nobena energija dejansko ne uničuje na kakršen koli način, saj bi to kršilo ohranjanje energija.
Te toplote pa ni mogoče v celoti ujeti in ponovno uporabiti, zato jo imenujemo manj uporabna oblika energije. Vsakič, ko pozimi mimo stavbe ali odprtine za prezračevanje odteče neskončen oblak pare ali toplega zraka, je to jasen primer toplotne energije, ki je "neuporabna" energija. Po drugi strani pa atoplotni motortako kot tisti v avtomobilih na bencinski pogon uporablja toplotno energijo za mehansko energijo.
Toplotna energija in temperatura
Temperatura predmeta ali sistema je merilo vrednostipovprečnotranslacijska kinetična energija na molekulo tega predmeta, medtem ko je toplotna energija skupna notranja energija sistema. Ko se delci premikajo, vedno obstaja kinetična energija. Premikanje toplote navzgor proti temperaturnemu gradientu zahteva delo, na primer uporabo toplotnih črpalk.
Vročina in vsakdanji svet
Tu se lahko toplotna energija pojavlja kot prevarantska količina, vendar jo je mogoče in jo odlično uporabljajo pri kuhanju in drugih področjih. Ko prebavite hrano, pretvorite kemično energijo iz vezi v ogljikovih hidratih, beljakovinah in maščobah v toploto ("kalorije" namesto joulov v splošnem).
Trenjeustvarja toploto, pogosto v naglici. Če si roke hitro podrgnete, se bodo hitro ogrele. Avtomatsko orožje izstreli krogle iz cevi tako hitro, da se kovina skoraj takoj nevarno segreje na dotik.
Toplotna energija in varčevanje z energijo: primer
Razmislite o marmorju, ki se valja okoli sklede. "Sistem" vključuje tudi okolje (tj. Zemljo kot celoto). Ko se premika navzgor, se več celotne energije pretvori v gravitacijsko potencialno energijo; ko se pospeši blizu dna, se več te energije pretvori v kinetično energijo. Če bi bila to celotna zgodba, bi se marmor večno nadaljeval gor in dol in z vsakim ciklom dosegal enake višine in hitrosti.
Namesto tega se marmor vsakič, ko se dvigne ob strani, povzpne nekoliko manj visoko in njegova hitrost na dnu je nekoliko manjša, dokler se marmor na koncu ne ustavi na dnu. To je zato, ker se je ves čas, ko se je marmor valil, pretvarjalo vedno več "pita" s celotno energijo na večji in večji "rez" toplotne energije in se razprši v okolje, ki ga uporabnik več ne uporablja marmor. Na koncu je vsa energija sistema "postala" toplotna energija.
Enačba toplotne energije: Toplotna zmogljivost
Ena izmed enačb, s katero se lahko srečate, je enačba zatoplotna zmogljivost:
Q = mC \ Delta T
kjeVje toplotna energija v džulih,mje masa predmeta, ki se segreva,Cje objektSpecifična toplota zmogljivostiindelta Tje njegova sprememba temperature v Celziju. Specifična toplotna sposobnost snovi jekoličina energije, potrebna za dvig temperature 1 grama te snovi za 1 stopinjo Celzija.
Višje toplotne kapacitete tako pomenijo večjo odpornost proti temperaturnim spremembam za določeno maso snovi, večja masa pa sama po sebi pomeni večjo toplotno zmogljivost. To je intuitivno smiselno; če ste v mikrovalovni pečici eno minuto 10 ml vode izpostavili "visoki temperaturi", bo temperaturna sprememba daleč večja, kot če bi enako dolgo ogrevali 1000 ml vode, začenši pri isti temperaturi.
Zakoni termodinamike
Termodinamika je preučevanje, kako delo, toplota in notranja energija medsebojno delujejo v sistemu. Pomembno je, da gre le za obsežna opazovanja, ki jih je mogoče izmeriti; kinetična teorija plinov obravnava interakcije na ravni vibracij.
Prvi zakon termodinamikenavaja, da je spremembe notranje energije mogoče pripisati toplotnim izgubam: ΔE = Q - W, kjerΔEje sprememba notranje energije (Δ je grška črka "delta" in tukaj pomeni "razlika"),Vje količina prenesene toplotne energijevsistem inWje opravljeno deloavtorsistem na okolico.
Drugi zakon termodinamikenavaja, da kadar koli opravimo delo, znašaentropijav ozračju se poveča. Tako pretok toplotne energije nenehno povzroča povečanje entropije.
- Entropija (S) je spremenljivka stanja, termodinamična lastnost sistema, ki ohlapno pomeni "motnja", njegovo gibanje pa lahko izrazimo kot
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Tretji zakon termodinamikenavaja, da entropijaSsistema se približuje konstantni vrednosti kot temperaturaTbližaabsolutna ničla(0 K ali -273 ° C).
Ko je en predmet na višji temperaturi kot bližnji objekt, ta temperaturna razlika daje prednost prenosu energije v obliki toplote na hladnejši objekt.
Obstajajo trije osnovni načini za prenos toplote z enega predmeta na drugega:Prevajanje(neposreden stik),konvekcija(gibanje skozi tekočino ali plin) in termičnosevanje(gibanje skozi vesolje).