พลังงานความร้อน: ความหมาย สมการ ประเภท (พร้อมแผนภาพและตัวอย่าง)

พลังงานความร้อนหรือที่เรียกว่าพลังงานความร้อนหรือง่ายๆความร้อนเป็นชนิดของภายในพลังงานที่วัตถุกล่าวกันว่าครอบครองเนื่องจากพลังงานจลน์ของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ

ตัวพลังงานเองนั้น แม้จะง่ายพอที่จะกำหนดในทางคณิตศาสตร์ แต่ก็เป็นหนึ่งในปริมาณที่เข้าใจยากกว่าในทางฟิสิกส์ในแง่ของสิ่งที่เป็นพื้นฐานคือ. พลังงานมีหลายรูปแบบ และการกำหนดพลังงานในแง่ของการจำกัดพฤติกรรมทางคณิตศาสตร์นั้นง่ายกว่าการกำหนดกรอบในภาษาที่แม่นยำ

ไม่เหมือนการแปลหรือการหมุนพลังงานจลน์ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ในระยะทางเชิงเส้นบางช่วงหรือเป็นวงกลมตามลำดับ (และสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้เช่นเดียวกับการโยน จานร่อน) พลังงานความร้อนมาจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมหาศาล การเคลื่อนที่ที่ถือได้ว่าเป็นการสั่นไหวรอบจุดคงที่ใน พื้นที่

โดยเฉลี่ยแล้ว แต่ละอนุภาคจะพบในสถานที่เฉพาะภายในระบบขยายขณะที่มันเคลื่อนที่ไป คลั่งไคล้จุดนั้น แม้ว่า ณ จุดใดเวลาหนึ่งที่อนุภาคจะมีแนวโน้มจะเป็น พบที่นั่น นี่เป็นเหมือนตำแหน่งเฉลี่ยของโลกในช่วงเวลาหนึ่งใกล้กับจุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ แม้ว่าการจัดเรียงนี้ (โชคดี!) จะไม่เกิดขึ้น

ทุกครั้งที่วัสดุสองชนิดสัมผัสกัน รวมทั้งอากาศ

วัตถุและบริเวณโดยรอบประสบกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิซึ่งเป็นการสำแดงเชิงปริมาณของพลังงานความร้อนและการถ่ายเทความร้อน, วัดเป็นองศาเซลเซียส (°C), องศาฟาเรนไฮต์ (°F) หรือเคลวิน (K) เมื่อวัตถุสูญเสียความร้อน วัตถุจะตกลงสู่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า

พลังงานมาในรูปแบบต่าง ๆ เช่นเดียวกับหน่วยต่าง ๆ ที่พบบ่อยที่สุดคือจูล (เจ)ตั้งชื่อตามเจมส์ เพรสคอตต์ จูล จูลเองมีหน่วยของแรงคูณระยะทางหรือนิวตัน-เมตร (N⋅m) โดยพื้นฐานแล้วหน่วยของพลังงานคือkg⋅m²/s².

แนวคิดหนึ่งที่เชื่อมโยงกับพลังงานอย่างใกล้ชิดคืองานซึ่งมีหน่วยของพลังงานแต่ไม่คำนึงถึงเช่นพลังงานโดยนักฟิสิกส์ งานสามารถพูดได้ว่า "ทำบน" aระบบโดยการเพิ่มพลังงานเข้าไป ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของระบบ (เช่น มันเคลื่อนที่ลูกสูบหรือหมุนคอยล์แม่เหล็ก นั่นคือ ใช้งานได้ดี) ระบบคือการตั้งค่าทางกายภาพใดๆ ก็ตามที่มีขอบเขตที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งสามารถเป็นได้ทั้งโลก

นอกจากพลังงานความร้อน (โดยปกติเขียนว่า Q) และพลังงานจลน์ (ประเภทเชิงเส้นหรือการหมุน "ปกติ") พลังงานประเภทอื่นๆ ได้แก่พลังงานศักย์​, ​พลังงานกลและพลังงานไฟฟ้า. ด้านที่สำคัญของพลังงานคือไม่ว่าจะปรากฏในระบบใด ๆ มันก็อยู่เสมออนุรักษ์​.

เมื่อมีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม (กล่าวคือ "สลาย" หรือ "สูญหาย") ของ แท้จริงแล้วไม่มีพลังงานใดถูกทำลายโดยแท้จริง แต่อย่างใด เนื่องจากจะเป็นการละเมิดการอนุรักษ์ของ พลังงาน.

อย่างไรก็ตาม ความร้อนนี้ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างเต็มที่ ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่ารูปแบบพลังงานที่มีประโยชน์น้อยกว่า เมื่อใดก็ตามที่คุณผ่านอาคารหรือช่องระบายอากาศบนพื้นดินในฤดูหนาวและมีไอน้ำหรือลมร้อนไหลออกมาไม่รู้จบ นั่นเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของพลังงานความร้อนซึ่งเป็นพลังงานที่ "ไร้ประโยชน์" ในทางกลับกัน aเครื่องยนต์ความร้อนเช่นเดียวกับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินใช้พลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล

อุณหภูมิของวัตถุหรือระบบเป็นตัววัดของเฉลี่ยพลังงานจลน์แปลต่อโมเลกุลของวัตถุนั้น ในขณะที่พลังงานความร้อนคือพลังงานภายในทั้งหมดของระบบ เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ ย่อมมีพลังงานจลน์เสมอ การเคลื่อนความร้อนขึ้นไปบนการไล่ระดับอุณหภูมิต้องใช้งาน เช่น การใช้ปั๊มความร้อน

พลังงานความร้อนอาจปรากฏที่นี่เป็นปริมาณที่หลอกลวง แต่สามารถนำไปใช้ในการปรุงอาหารและอาณาจักรอื่นๆ ได้อย่างดีเยี่ยม เมื่อคุณย่อยอาหาร คุณจะแปลงพลังงานเคมีจากพันธะในคาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมันให้เป็นความร้อน ("แคลอรี" แทนจูลในแง่ทั่วไป)

​แรงเสียดทานทำให้เกิดความร้อนบ่อยครั้ง ถ้าคุณถูมือเร็วๆ พวกเขาจะอุ่นขึ้นอย่างรวดเร็ว อาวุธอัตโนมัติยิงกระสุนออกจากกระบอกปืนอย่างรวดเร็วจนโลหะร้อนจัดเมื่อสัมผัสเกือบจะในทันที

พิจารณาหินอ่อนที่กลิ้งไปมาในชาม "ระบบ" ยังรวมถึงสิ่งแวดล้อมด้วย (เช่น โลกโดยรวม) เมื่อมันเคลื่อนขึ้นด้านข้าง พลังงานทั้งหมดของมันจะถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากขึ้น เมื่อมันเคลื่อนที่เร็วขึ้นใกล้ด้านล่าง พลังงานนั้นจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์มากขึ้น ถ้านี่คือเรื่องราวทั้งหมด หินอ่อนจะขึ้นๆ ลงๆ ตลอดไป โดยมีความสูงและความเร็วเท่าเดิมในแต่ละรอบ

แต่ละครั้งที่หินอ่อนขึ้นมาด้านข้าง มันจะปีนขึ้นไปสูงน้อยลงเล็กน้อย และความเร็วของหินอ่อนที่ด้านล่างจะลดลงเล็กน้อย จนกระทั่งในที่สุดหินอ่อนก็หยุดนิ่งอยู่ที่ด้านล่าง นี่เป็นเพราะตลอดเวลาที่หินอ่อนกลิ้ง "พาย" พลังงานทั้งหมดถูกดัดแปลงมากขึ้นเรื่อย ๆ ไปเป็น "ชิ้น" ที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นของพลังงานความร้อนและกระจายสู่สิ่งแวดล้อม. ไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป หินอ่อน. ที่ด้านล่าง พลังงานทั้งหมดของระบบ "กลายเป็น" พลังงานความร้อน

หนึ่งในสมการที่คุณอาจพบคือสมการสำหรับความจุความร้อน​:

ที่ไหนคิวคือพลังงานความร้อนเป็นจูลมคือมวลของวัตถุที่ถูกทำให้ร้อนคเป็นวัตถุของความร้อนจำเพาะ​ ​ความจุและเดลต้า Tคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในเซลเซียส ความจุความร้อนจำเพาะของสารคือปริมาณพลังงานที่ต้องใช้เพื่อทำให้อุณหภูมิ 1 กรัมของสารนั้นสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส​.

ความจุความร้อนที่สูงขึ้นจึงหมายถึงความต้านทานที่มากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสำหรับมวลที่กำหนดของสาร และมวลที่มากขึ้นด้วยตัวมันเองหมายถึงความจุความร้อนที่สูงขึ้น สิ่งนี้สมเหตุสมผลโดยสัญชาตญาณ ถ้าคุณเปิดน้ำ 10 มล. ให้ "สูง" ในไมโครเวฟเป็นเวลา 1 นาที อุณหภูมิจะเปลี่ยนไปมาก มากกว่าถ้าคุณให้ความร้อนกับน้ำ 1,000 มล. โดยเริ่มที่อุณหภูมิเดียวกันในระยะเวลาเท่ากัน

อุณหพลศาสตร์คือการศึกษาว่าการทำงาน ความร้อน และพลังงานภายในมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในระบบ ที่สำคัญ เกี่ยวข้องกับการสังเกตขนาดใหญ่ที่สามารถวัดได้เท่านั้น ทฤษฎีจลนศาสตร์ของก๊าซกล่าวถึงปฏิกิริยาระดับการสั่นสะเทือน

​กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในสามารถพิจารณาได้จากการสูญเสียความร้อน: ΔE = Q – W โดยที่ΔEคือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน (Δ คืออักษรกรีก "เดลต้า" และแปลว่า "ความแตกต่าง" ในที่นี้)คิวคือปริมาณพลังงานความร้อนที่ถ่ายเทเป็นระบบและWคืองานที่ทำโดยระบบรอบข้าง.

​กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเมื่อทำงานเสร็จแล้วปริมาณเอนโทรปีในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้น ดังนั้นการไหลของพลังงานความร้อนจึงทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

• เอนโทรปี (ส) เป็นตัวแปรของรัฐ ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบที่หมายถึง "ความผิดปกติ" อย่างหลวม ๆ และการเคลื่อนไหวของระบบสามารถแสดงเป็น 

​กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีสของระบบเข้าใกล้ค่าคงที่เท่ากับอุณหภูมิตู่ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์(0 K หรือ -273 C)

เมื่อวัตถุหนึ่งอยู่ที่อุณหภูมิสูงกว่าวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง ความแตกต่างของอุณหภูมินี้จะสนับสนุนการถ่ายเทพลังงานในรูปของความร้อนไปยังวัตถุที่เย็นกว่า

มีสามวิธีพื้นฐานในการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง:การนำ(ติดต่อโดยตรง),การพาความร้อน(การเคลื่อนที่ผ่านของเหลวหรือก๊าซ) และความร้อนรังสี(การเคลื่อนที่ในอวกาศ)