Теплова енергія, також званатеплової енергіїабо простотепло, є різновидомвнутрішнійКажуть, що енергією володіє об’єкт завдяки кінетичній енергії складових частинок.
Сама енергія, хоча і досить проста для математичного визначення, є однією з найбільш невловимих величин у фізиці з точки зору того, що вона принциповоє. Є багато видів енергії, і легше визначити енергію з точки зору меж її арифметичної поведінки, ніж визначити її точною мовою.
На відміну відпоступальнийабообертальнийкінетична енергія, яка виникає внаслідок руху через деяку лінійну відстань або по колу, відповідно (і вони можуть виникати разом, як при кинутому Фрісбі), теплова енергія походить від руху величезної кількості крихітних частинок, руху, яке можна сприймати як вібрацію навколо нерухомих точок в простору.
В середньому кожна частинка знаходиться в певному місці розширеної системи, коли вона блукає несамовито про цю точку, навіть якщо в жоден момент часу частинка не є статистично вірогідною знайдений там. Це швидше як середнє положення Землі з часом, яке знаходиться недалеко від центру Сонця, хоча таке розташування (на щастя!) Ніколи не відбувається.
Щоразу, коли два матеріали контактують, включаючи повітря,тертярезультати, а частина загальної енергії системи - яка, як ви побачите, завжди повинна залишатися незмінною - перетворюється на теплову енергію.
Об'єкт та його оточення відчувають збільшеннятемператури, який єкількісно проявляється теплова енергія і теплообмін, вимірюється в градусах Цельсія (° C), градусах Фаренгейта (° F) або Кельвінах (K). Коли предмети втрачають тепло, вони опускаються до нижчої температури.
Що таке енергія?
Енергія надходить у різних формах, а також у різних одиницях, найпоширенішими з яких єджоуль (J), названий на честь Джеймса Прескотта Джоуля. Сам джоуль має одиниці вимірювання сили у відстані або ньютон-метри (Нм). Більш принципово, одиниці енергії складають кг areм2/ с2.
Одне поняття, тісно пов’язане з енергетикою, - церобота, який має одиницізенергія, але не враховуєтьсяякенергії фізиками. Можна сказати, що робота «виконується» aсистемадодаючи до нього енергію, що призводить до фізичної зміни системи (наприклад, вона рухає поршень або обертає магнітну котушку - тобто робить корисну роботу). Система - це будь-яка фізична установка з чітко визначеними межами, якою може бути навіть Земля в цілому.
На додаток до теплової енергії (зазвичай пишеться Q) та кінетичної енергії ("нормальний" лінійний або обертальний сорт), до інших видів енергії належатьпотенційна енергія, механічна енергіяіелектрична енергія. Найважливіший аспект енергії полягає в тому, що, якою б вона не була в будь-якій системі, вона є завждизбережений.
Теплова енергія: найменш корисна форма енергії
Коли відбувається передача теплової енергії в навколишнє середовище (тобто вона "розсіюється" або "втрачається"), від Звичайно, насправді жодна енергія не руйнується, оскільки це порушить збереження енергія.
Однак це тепло не може бути повністю узяте і використане повторно, саме тому його називають менш корисною формою енергії. Кожного разу, коли ви проходите повз будівлю або наземний отвір взимку, і нескінченна хмара пари або теплого повітря витікає, це яскравий приклад теплової енергії, яка є "марною" енергією. З іншого боку, aтепловий двигунподібно до автомобілів, що працюють на бензині, використовує теплову енергію для механічної енергії.
Теплова енергія та температура
Температура об'єкта або системи є міроюсереднійпоступальна кінетична енергія на молекулу цього об’єкта, тоді як теплова енергія - це загальна внутрішня енергія системи. Коли частинки рухаються, завжди є кінетична енергія. Переміщення тепла вгору проти градієнта температури вимагає такої роботи, як використання теплових насосів.
Спека і повсякденний світ
Теплова енергія може виглядати тут як неправдива кількість, але вона може бути і чудово використана в кулінарії та інших сферах. Перетравлюючи їжу, ви перетворюєте хімічну енергію із зв’язків у вуглеводах, білках та жирах у нагрівання (загалом «калорії» замість джоулів).
Тертягенерує тепло, часто поспішаючи. Якщо швидко потерти руки, вони швидко зігріються. Автоматична зброя вистрілює кулі зі стовбура так швидко, що метал майже негайно нагрівається на дотик.
Теплова енергія та збереження енергії: Приклад
Розглянемо мармур, який котиться всередині миски. "Система" також включає навколишнє середовище (тобто Землю в цілому). Коли він рухається вгору в сторону, більша частина його загальної енергії перетворюється на потенційну енергію гравітації; в міру прискорення біля дна більша частина цієї енергії перетворюється на кінетичну енергію. Якби це була вся історія, мармур продовжував би йти вгору і вниз вічно, досягаючи однакових висот і швидкостей з кожним циклом.
Натомість кожного разу, коли мармур піднімається збоку, він піднімається трохи менше, і його швидкість внизу стає трохи меншою, поки з часом мармур не зупиниться на дні. Це пов’язано з тим, що весь час, коли мармур катався, дедалі більше перетворювалось «пирога» із загальною енергією до все більшого і більшого "зрізу" теплової енергії і розсіюється в навколишнє середовище, яке вже не використовується мармурові. Внизу вся енергія системи "стала" тепловою енергією.
Рівняння теплової енергії: теплоємність
Одне з рівнянь, з яким ви можете зіткнутися, - це длятеплоємність:
Q = mC \ Delta T
деПитання- теплова енергія в джоулях,м- маса нагріваного предмета,C.є об’єктомпитоме тепло ємністьідельта Т- це його зміна температури за Цельсієм. Питома теплоємність речовини становитькількість енергії, необхідної для підвищення температури 1 грама цієї речовини на 1 градус Цельсія.
Таким чином, більша теплоємність передбачає більший опір зміні температури для даної маси речовини, а більша маса сама по собі означає більшу теплоємність. Це має інтуїтивний сенс; якщо ви протягом однієї хвилини піддавали 10 мл води "високій температурі" в мікрохвильовці, зміна температури буде далеко більше, ніж якби ви нагрівали 1000 мл води, починаючи з тією ж температурою протягом однакового періоду часу.
Закони термодинаміки
Термодинаміка - це вивчення взаємодії роботи, тепла та внутрішньої енергії в системі. Що важливо, це стосується лише масштабних спостережень, які можна виміряти; кінетична теорія газів звертається до взаємодій на вібраційному рівні.
Перший закон термодинамікистверджує, що зміни внутрішньої енергії можна пояснити втратами тепла: ΔE = Q - W, деΔE- це зміна внутрішньої енергії (Δ - грецька буква "дельта" і означає тут "різниця"),Питання- кількість переданої теплової енергіївсистеми таWце зроблена роботавідсистема навколишнього середовища.
Другий закон термодинамікизазначає, що щоразу, коли виконується робота, сумаентропіяв атмосфері збільшується. Таким чином, потік теплової енергії постійно збільшує ентропію.
- Ентропія (S) - змінна стану, термодинамічна властивість системи, що вільно означає "розлад", і її рух можна виразити як
\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}
Третій закон термодинамікистверджує, що ентропіяSсистеми наближається до постійного значення як температураТнаближаєтьсяабсолютний нуль(0 K, або -273 C).
Коли один об'єкт має більш високу температуру, ніж сусідній об'єкт, ця різниця температур сприяє передачі енергії у вигляді тепла охолоджуваному об'єкту.
Існує три основних способи передачі тепла від одного об’єкта до іншого:Проведення(прямий контакт),конвекція(рух через рідину або газ) та тепловийвипромінювання(рух у просторі).