Θερμική ενέργεια

Λόγω της θερμοκρασίας της, η θερμική ενέργεια είναι η εσωτερική ενέργεια που υπάρχει σε ένα σύστημα σε θερμοδυναμική ισορροπία. Η θερμική ενέργεια μετατρέπεται πιο δύσκολα σε παραγωγικό έργο από ότι η ενέργεια από συστήματα που δεν βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία.

Η θερμική ενέργεια σχετίζεται με την κίνηση των σωματιδίων μέσα σε ένα αντικείμενο, η οποία μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας. Μάθετε πώς χρησιμοποιείται ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί η θερμική ενέργεια σε διάφορες εφαρμογές, που κυμαίνονται από το μαγείρεμα έως την παροχή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας.

Ως αποτέλεσμα, η θερμική ενέργεια μπορεί να οριστεί ως η ικανότητα ενός αντικειμένου να εκτελεί εργασία ως αποτέλεσμα της κίνησης των σωματιδίων.

Θερμική ενέργεια

Η θερμική ενέργεια είναι η ενέργεια που παράγεται από τα άτομα ή τα μόρια ενός σώματος όταν κινούνται. Η θερμική ενέργεια μιας ουσίας είναι ανάλογη της θερμοκρασίας της. Είναι επίσης γνωστό ως το μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των συστατικών σωματιδίων μιας ουσίας, η οποία είναι υπεύθυνη για την κίνησή τους. Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που διερευνά τον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας στα συστήματα και τον τρόπο με τον οποίο εκτελείται η εργασία στη διαδικασία.

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής ασχολείται με την κίνηση της ενέργειας και πώς αυτή η ενέργεια προκαλεί κίνηση.

Ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος αναλύει τις επιπτώσεις της πίεσης, του όγκου και της θερμοκρασίας σε συστήματα όπως οι ατμομηχανές. Μπορούμε να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια μοιράζεται σε αυτά τα συστήματα είτε ως θερμότητα είτε ως ικανότητα εκτέλεσης εργασίας εφαρμόζοντας μαθηματικές σχέσεις.

Όταν οι μηχανικοί εργάστηκαν για να βελτιώσουν την απόδοση των ατμομηχανών σε όλη τη Βιομηχανική Εποχή, ανακάλυψαν αυτή τη σχέση μεταξύ πολλών πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής ενέργειας.

Μια θερμική μηχανή είναι ένα άλλο όνομα για μια ατμομηχανή. Οδηγεί τα έμβολα μετατρέποντας την παρεχόμενη ενέργεια (θερμότητα) σε «εργασία» - σε αυτό το παράδειγμα, μηχανική ενέργεια. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής επίσης θέτει ότι η συνολική ενέργεια ενός συστήματος δεν αλλάζει. αλλάζει μόνο μορφή.

Ο ορισμός της θερμικής ενέργειας απαιτούσε αυτή τη διορατικότητα. Η «τυχαία κίνηση των μορίων» σε μια ουσία, που τίθεται σε κίνηση από την εγγενή τους ενέργεια, παράγει θερμική ενέργεια. Η θερμική ενέργεια ορίζεται ως η ζεστασιά ή η δροσιά μιας ουσίας ως αποτέλεσμα της κινητικής ενέργειας των μορίων της.

Πηγές θερμικής ενέργειας

Μηχανική ενέργεια:Μηχανική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αντικείμενα ως αποτέλεσμα τάσης. Η μηχανική ενέργεια αποθηκεύεται σε συμπιεσμένα ελατήρια και τεντωμένα λάστιχα, τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε θερμική ενέργεια. Η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της τριβής είναι ένα καλό παράδειγμα θερμικής ενέργειας.

Χημική ενέργεια:Η ποσότητα της ενέργειας που διατηρείται στους δεσμούς μεταξύ ατόμων και μορίων αναφέρεται ως χημική ενέργεια. Οι μπαταρίες, τα βιοκαύσιμα, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και ο άνθρακας περιέχουν όλα χημική ενέργεια. Η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια όταν οι άνθρωποι καίνε ξύλα σε τζάκι ή βενζίνη σε κινητήρα κινητήρα.

Ηλιακή ενέργεια:Είναι ένας από τους πιο αποδοτικούς παραγωγούς θερμικής ενέργειας. Είναι η πιο φιλική προς το περιβάλλον και γενικά προσβάσιμη πηγή θερμικής ενέργειας.

Ορυκτά καύσιμα:Οι εύφλεκτες χημικές ουσίες που δημιουργούνται από τα νεκρά υπολείμματα ζώων και φυτών που είναι θαμμένα βαθιά κάτω από την επιφάνεια της γης για εκατομμύρια χρόνια είναι γνωστά ως ορυκτά καύσιμα. Ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και άλλα ορυκτά καύσιμα είναι παραδείγματα.

Γεωθερμική ενέργεια:Η ενέργεια που προέρχεται από τη γη είναι γνωστή ως γεωθερμική ενέργεια. Η γεωθερμική ενέργεια εκπέμπεται από ηφαίστεια, θερμές πηγές και θερμοπίδακες, για να αναφέρουμε μερικά παραδείγματα.

 Η μάζα συνδέεται με τη θερμική ενέργεια

Σκεφτείτε το ακόλουθο σενάριο:έχετε ένα ποτήρι νερό και ένα ποτήρι νερό, τα οποία έχουν την ίδια θερμοκρασία. Ο όγκος του νερού στο ποτήρι ζέσεως είναι διπλάσιος από αυτόν του ποτηριού. Η μέση κινητική ενέργεια του μορίου του νερού είναι η ίδια και στις δύο περιπτώσεις λόγω της ίδιας θερμοκρασίας.

Η συνολική κινητική ενέργεια των μορίων του νερού στο ποτήρι, ωστόσο, είναι διπλάσια από τα μόρια του νερού στο ποτήρι λόγω του αυξημένου όγκου. Ως αποτέλεσμα, το νερό στο ποτήρι έχει διπλάσια θερμική ενέργεια από το νερό στο ποτήρι. Ως αποτέλεσμα, όσο αυξάνεται η μάζα ενός αντικειμένου, αυξάνεται και η θερμική του ενέργεια.

Εφαρμογή θερμικής ενέργειας

Το θερμαινόμενο στοιχείο μιας σόμπας αποθηκεύει θερμική ενέργεια και όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει μέσα η σόμπα. Παρόλο που δεν μπορείτε να τα δείτε, τα μόρια κινούνται. Όσο περισσότερη εσωτερική θερμική ενέργεια έχουν τα μόρια, τόσο πιο γρήγορα κινούνται. Τοποθετήστε αμέσως ένα δοχείο με νερό πάνω από το ζεστό στοιχείο. Λοιπόν, τι πρόκειται να συμβεί στη συνέχεια; Η θερμική ενέργεια από τη σόμπα επιταχύνει την κίνηση των σωματιδίων στην κατσαρόλα και, τελικά, το νερό.

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις διαφορές μεταξύ αυτών των όρων. Η θερμότητα αναφέρεται στη μεταφορά θερμικής ενέργειας από ένα στοιχείο ή σύστημα σε άλλο σε αυτό το πλαίσιο, με τη μεταφορά να είναι ο βασικός όρος. Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα αντικείμενο ή σύστημα ως αποτέλεσμα της κίνησης των σωματιδίων είναι γνωστή ως θερμική ενέργεια.

Μπορεί να νιώσετε τη ζέστη αν τοποθετήσετε την παλάμη σας πάνω από τη σόμπα. Εάν βάλετε ένα θερμόμετρο στο νερό καθώς ζεσταίνεται, μπορείτε να δείτε την άνοδο της θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία αυξάνεται ως απόκριση σε αύξηση της εσωτερικής ενέργειας.

Θερμική ενέργεια από τριβή

Σκεφτείτε την κατάσταση ενός άνδρα που σπρώχνει ένα κουτί σε ένα τραχύ δάπεδο με σταθερή ταχύτητα. Επειδή η δύναμη τριβής είναι μη συντηρητική, το έργο που γίνεται δεν αποθηκεύεται ως δυναμική ενέργεια. Το έργο της δύναμης τριβής έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά ενέργειας στη θερμική ενέργεια του συστήματος κουτιού-δαπέδου. Αυτή η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στο κουτί και στο πάτωμα με τη μορφή θερμότητας, ανεβάζοντας τις θερμοκρασίες τους.

Θερμική ενέργεια από μεταφορά

Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα από ένα ρευστό, προσδίδει ορμή στο ρευστό και το αναγκάζει να ρέει. Ακόμα κι αν το πράγμα σταματούσε να κινείται, θα υπήρχε ακόμα κάποια ρευστή κίνηση. Αυτό θα εξαφανιστεί μετά από λίγο.

Οι κινήσεις μεγάλης κλίμακας του ρευστού τελικά ανακατανέμονται σε μεγάλο αριθμό μικρότερων τυχαίων κινήσεων των μορίων του ρευστού. Αυτές οι κινήσεις αντιπροσωπεύουν την αυξημένη θερμική ενέργεια στο σύστημα.

Αποθήκευση θερμικής ενέργειας

Ένα σύστημα που επιτρέπει τη μεταφορά και αποθήκευση της θερμικής ενέργειας αναφέρεται ως αποθήκευση θερμικής ενέργειας. Αυτό το σχέδιο βασίζεται σε τεχνολογία αιχμής που λειτουργεί σε συντονισμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή και η υδροηλεκτρική ενέργεια. Μπορούν να αποθηκευτούν έτσι ώστε να μπορεί να διατηρηθεί μια σταθερή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς αυξάνεται η ζήτηση.

Μια στρατηγική για την αποθήκευση θερμότητας αναφέρεται ως «αποθήκευση θερμικής ενέργειας». Λαμβάνεται με συνεχή θέρμανση και ψύξη του συστήματος αποθήκευσης. Κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ζήτησης ή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, παράγεται θερμική ενέργεια (κρύο ή ζεστό νερό) και στη συνέχεια αποθηκεύεται σε δεξαμενή αποθήκευσης θερμικής ενέργειας προτού αφαιρεθεί και παρέχεται στην εγκατάσταση κατά τις ώρες αιχμής.

Το πάνω και το κάτω μέρος της δεξαμενής διαθέτουν διαχυτές που επιτρέπουν στο ζεστό ή κρύο νερό να εισέρχεται και να εξέρχεται από τη δεξαμενή. Οι διαχυτές μειώνουν τους στροβιλισμούς και επιτρέπουν στο νερό της δεξαμενής να στρωματοποιείται, με πιο κρύο νερό στο κάτω μέρος και πιο ζεστό νερό στην κορυφή. Ανάμεσα στις ζώνες ζεστού και κρύου νερού, σχηματίζεται ένα μικρό και απότομα μεταβατικό στρώμα νερού.

Συμπέρασμα

Η θερμική ενέργεια σχετίζεται με την κίνηση των σωματιδίων μέσα σε ένα αντικείμενο, η οποία μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία θερμότητας. Μάθετε πώς χρησιμοποιείται η θερμική ενέργεια σε μια σειρά εφαρμογών, από το μαγείρεμα έως την παροχή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας.

Η ενέργεια που παράγεται από τα άτομα ή τα μόρια ενός σώματος όταν κινούνται είναι γνωστή ως θερμική ενέργεια. Η θερμική ενέργεια μιας ουσίας είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία της. Είναι επίσης γνωστό ως η μέση κινητική ενέργεια των συστατικών σωματιδίων μιας ουσίας, η οποία είναι υπεύθυνη για την κίνησή τους.