Что такое тепловая энергия — определение и примеры

Большинство людей используют слово «тепло» для описания чего-то, что кажется теплым, однако в науке термодинамические уравнения, в частности, определяют тепло как поток энергии между двумя системами с помощью кинетической энергии.

Это может принимать форму передачи энергии от теплого объекта к более холодному объекту. Проще говоря, тепловая энергия, также называемая просто теплом, передается из одного места в другое за счет столкновения частиц друг с другом. Вся материя содержит тепловую энергию, и чем больше тепловой энергии присутствует, тем горячее будет предмет или область.

Тепло против температуры

Различие между теплом и температурой тонкое, но очень важное. Тепло относится к передаче энергии между системами (или телами), тогда как температура определяется энергией, содержащейся в отдельной системе (или теле).

Другими словами, тепло (или теплота) — это энергия, а температура — это мера энергии. Добавление тепла повысит температуру тела, а удаление тепла понизит температуру, поэтому изменения температуры являются результатом наличия тепла или, наоборот, отсутствия тепла.

Вы можете измерить температуру в помещении, поместив термометр в комнату и измерив температуру окружающего воздуха. Вы можете добавить тепла в комнату, включив обогреватель. По мере поступления тепла в помещение температура повышается.

Частицы обладают большей энергией при более высоких температурах, и по мере того, как эта энергия передается от одной системы к другой, быстро движущиеся частицы будут сталкиваться с более медленными частицами. При столкновении более быстрая частица будет передавать часть своей энергии более медленной, и процесс будет продолжаться до тех пор, пока все частицы не будут работать с одинаковой скоростью. Это называется тепловым равновесием.

Единицы тепла

Единицей СИ для теплоты является форма энергии, называемая джоулем (Дж).

Тепло часто также измеряется в калориях (кал), которые определяются как «количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды с 14,5 градусов по Цельсию до 15,5 градусов по Цельсию».

Джеймс Максвелл в своей теории тепла 1871 года излагает четыре условия для определения тепла:

Это то, что может передаваться от одного тела к другому, согласно второму закону термодинамики.
Это измеримая величина, и поэтому ее можно рассматривать математически.
Ее нельзя рассматривать как материальную субстанцию, потому что оно может быть преобразовано во что-то, что не является материальной субстанцией, например, в механическую работу.
Тепло является одной из форм энергии.

Условные обозначения для передачи тепловой энергии

В физических уравнениях количество переданного тепла обычно обозначается символом Q.

Теплопередача может обозначаться как положительным, так и отрицательным числом. Тепло, которое выделяется в окружающую среду, записывается отрицательной величиной (Q < 0). Когда тепло поглощается из окружающей среды, оно записывается как положительное значение (Q > 0).

Способы передачи тепла

Существует три основных способа передачи тепла: конвекция, теплопроводность и излучение. Многие дома обогреваются за счет конвекционного процесса, который передает тепловую энергию через газы или жидкости.

В доме, когда воздух нагревается, частицы получают тепловую энергию, что позволяет им двигаться быстрее, нагревая более холодные частицы. Так как горячий воздух менее плотный, чем холодный, он будет подниматься вверх. Когда более холодный воздух опускается, он может быть втянут в системы отопления, что снова позволит более быстрым частицам нагревать воздух. Это считается круговым потоком воздуха и называется конвекционным током.

Процесс теплопроводности — это передача тепловой энергии от одного твердого тела к другому, в основном это две соприкасающиеся вещи. Можно увидеть пример этого, когда еда готовится на плите. Когда мы ставим холодную сковороду на горячую конфорку, тепловая энергия передается от конфорки сковороде, которая, в свою очередь, нагревается.

Излучение — это процесс, при котором тепло проходит через места, где нет молекул, и на самом деле является формой электромагнитной энергии. Любой предмет, чье тепло можно ощутить без прямой связи, излучает энергию. Вы можете увидеть это в солнечном тепле, в ощущении тепла, исходящего от костра, который находится в нескольких метрах от вас, и даже в том факте, что комнаты, полные людей, естественным образом будут теплее, чем пустые комнаты, потому что тело каждого человека излучает тепло.