Energia cieplna

Promieniowanie cieplne w świetle widzialnym można zobaczyć na tej gorącej metalowej konstrukcji z powodu promieniowania ciała doskonale czarnego .

Termin „energia cieplna” jest używany luźno w różnych kontekstach w fizyce i inżynierii. Może odnosić się do kilku różnych dobrze zdefiniowanych pojęć fizycznych. Obejmują one energię wewnętrzną lub entalpię ciała materii i promieniowania; ciepło , definiowane jako rodzaj transferu energii (podobnie jak praca termodynamiczna ); i charakterystyczna energia stopnia swobody , ${\ Displaystyle k _ {\ operatorname {B}} T}$ , w systemie, który jest opisany w kategoriach jego mikroskopijnych składników w postaci cząstek stałych $)$$oznacza$ temperaturę , oznacza stałą Boltzmanna .

Stosunek do ciepła i energii wewnętrznej

W termodynamice ciepło to energia przenoszona do lub z układu termodynamicznego za pomocą mechanizmów innych niż praca termodynamiczna lub przenoszenie materii, takich jak przewodzenie, promieniowanie i tarcie . Ciepło odnosi się do ilości przenoszonej między systemami, a nie do właściwości jednego systemu lub „zawartego” w nim. Z drugiej strony energia wewnętrzna i entalpia są właściwościami jednego układu. Ciepło i praca zależą od sposobu, w jaki nastąpił transfer energii, podczas gdy energia wewnętrzna jest właściwością stanu układu i dlatego można je zrozumieć, nie wiedząc, w jaki sposób energia się tam dostała.

Makroskopowa energia cieplna

Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać w procesie, w którym chemiczna energia potencjalna jest przekształcana w energię niechemiczną. W takim procesie układ termodynamiczny może zmieniać swoją energię wewnętrzną, wykonując pracę nad otoczeniem lub zyskując lub tracąc energię w postaci ciepła. Samo stwierdzenie, że „przekształcona chemiczna energia potencjalna stała się po prostu energią wewnętrzną”, nie jest całkiem jasne. Jednak wygodniej i jaśniej jest powiedzieć, że „potencjalna energia chemiczna została przekształcona w energię cieplną”. Taka energia cieplna może być postrzegana jako udział energii wewnętrznej lub entalpii, myśląc o wkładzie jako o procesie bez myślenia, że ​​wniesiona energia stała się identyfikowalnym składnikiem energii wewnętrznej lub entalpicznej. Energia cieplna jest zatem traktowana raczej jako „jednostka procesowa” niż „trwała jednostka fizyczna”. Wyraża się to w zwykłym, tradycyjnym języku, mówiąc o „ciepło reakcji” .

Termin „energia cieplna” odnosi się również do energii przenoszonej przez przepływ ciepła, chociaż można to również po prostu nazwać ciepłem lub ilością ciepła.

Mikroskopijna energia cieplna

W statystyczno-mechanicznym ujęciu gazu doskonałego , w którym cząsteczki poruszają się niezależnie między chwilowymi zderzeniami, energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznych niezależnych cząstek gazu i to właśnie ten ruch kinetyczny jest źródłem i skutkiem przenoszenie ciepła przez granicę systemu. W przypadku gazu, który nie ma interakcji z cząsteczkami, z wyjątkiem chwilowych zderzeń, termin „energia cieplna” jest faktycznie synonimem „ energii wewnętrznej ”. W wielu ${\ displaystyle k _ {\ tekst {B}}$ statystycznej „ cieplna” odnosi się do iloczynu stałej Boltzmanna i temperatury bezwzględnej , również zapisywanej jako $T$ . W materiale, zwłaszcza w materii skondensowanej, takiej jak ciecz lub ciało stałe, w którym cząstki składowe, takie jak cząsteczki lub jony, silnie oddziałują ze sobą, energie takich oddziaływań silnie przyczyniają się do energii wewnętrznej ciała, ale nie są po prostu widoczne w temperaturze.

Kontekst historyczny

W wykładzie z 1847 roku zatytułowanym „O materii, sile życiowej i cieple” James Prescott Joule scharakteryzował różne terminy, które są ściśle związane z energią cieplną i ciepłem. Zidentyfikował terminy ciepło utajone i ciepło jawne jako formy ciepła, z których każda wpływa na odrębne zjawiska fizyczne, a mianowicie odpowiednio energię potencjalną i kinetyczną cząstek. Energię utajoną opisał jako energię oddziaływania w danej konfiguracji cząstek, czyli formę energii potencjalnej, a ciepło jawne jako energię wpływającą na temperaturę mierzoną za pomocą termometr ze względu na energię cieplną, którą nazwał siłą życiową.

Bezużyteczna energia cieplna

Jeśli minimalna temperatura otoczenia systemu wynosi ${\ displaystyle T _ {\ tekst {e}}},$ a entropia systemu to ${\ displaystyle S}$ , to część energii wewnętrznej systemu wynosząca ${ \displaystyle S\cdot T_{\text{e}}}$ nie może zostać przekształcone w użyteczną pracę. Jest to różnica między energią wewnętrzną a energią swobodną Helmholtza .

Zobacz też

• Energia geotermalna
• Ogrzewanie geotermalne
• Energia geotermalna
• Przenikanie ciepła
• Konwersja energii cieplnej oceanu
• Rzędy wielkości (temperatura)
• Bateria termiczna
• Magazynowanie energii cieplnej